FR2461926A1

FR2461926A1 - Systeme de navigation par inertie a reference de cap et de position base sur l'utilisation de pendules gyroscopiques

Info

Publication number: FR2461926A1
Application number: FR8015666A
Authority: FR
Inventors: Bernhard Stieler
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1979-07-17
Filing date: 1980-07-16
Publication date: 1981-02-06
Also published as: DE2928817A1; FR2461926B1; GB2056062A; DE2928817C2; GB2056062B; JPS5619406A

Abstract

SYSTEME DE NAVIGATION PAR INERTIE A REFERENCE DE CAP ET DE POSITION, DANS LEQUEL IL EST PREVU, COMME SENSEURS, DEUX PENDULES GYROSCOPIQUES A VECTEURS DE TORSION RESPECTIFS ORIENTES VERS LE HAUT ET VERS LE BAS ET QUI SONT CONSTITUES CHACUN PAR UN GYROSCOPE DE POSITION SUSPENDU A LA CARDAN AINSI QUE PAR DEUX ACCELEROMETRES LIES MECANIQUEMENT DE FACON RIGIDE A CELUI-CI, QUI AGISSENT SUIVANT SES DEUX AXES D'ENTREE, ET DONT LES SIGNAUX DE SORTIE, APRES UNE AMPLIFICATION F, SONT APPLIQUES DIRECTEMENT AUX GENERATEURS DE COUPLE GYROSCOPIQUE ORTHOGONAUX PAR RAPPORT AUXDITS AXES, LEDIT SYSTEME COMPORTANT EN OUTRE UN CALCULATEUR POUR DETERMINER LA VITESSE PAR RAPPORT A LA TERRE, LA POSITION ET LA DIRECTION DU NORD. DANS CE SYSTEME LES PENDULES GYROSCOPIQUES, DANS LEUR POSITION DE ZERO, SONT ORIENTES SUR LE VECTEUR DE LA GRAVITATION DE LA TERRE. APPLICATION AUX SYSTEMES DE NAVIGATION AERIENNE PAR INERTIE ET A L'ESTIME.

Description

La présente invention concerne un système de navigation par inertie à

référence de cap et de position, dans lequel il

est prévu comme senseurs deux pendules gyroscopiques à vec-

teurs de torsion respectifs orientés vers le haut et vers le bas et qui sont constitués chacun par un gyroscope de position suspendu à la Cardan ainsi que par deux accéléromètres liés

mécaniquement de façon rigide à celui-ci, qui agissent sui-

vant ses deux axes d'entrée et dont les signaux de sortie,

après une amplification F sont appliqués directement aux gé-

nérateurs de couple gyroscopique orthogonaux par rapport aux-

dits axes, ledit système comportant en outre un calculateur pour déterminer la vitesse par rapport à la Terre, la position

et la direction du nord.

Lorsqu'on utilise un pendule gyroscopique sur un véhicule

mobile, ce pendule doit être syntonisé, c'est-à-dire que l'am-

plification F doit être dans un rapport déterminé avec la tor-

sion gyroscopique H. L'invention a pour objet de déterminer, pour les pendules

gyroscopiques, une syntonisation Schuler constante, c'est-à-

dire indépendante des conditions de vol, car autrement le facteur F divisé par H doit être constamment redéterniné, ce

qui implique une dépense considérable en puissance du calcula-

teur.

A cet effet, suivant l'invention, les pendules gyrosco-

piques, dans leur position de zéro, sont orientés sur le vec-

teur de la gravitation G de la Terre.

La gravitation G de la Terre est inclinée par rapport au vecteur g de l'accélération de la pesanteur (c'est-à-dire par rapport à la verticale) de l'angle y avec un sens de rotation

positif en direction est.

La grandeur de cet angle y est donnée par la formule Y = 2g sin 2 * < 6 iFin (ou 2 = vitesse de rotation de la Terre, R = rayon terrestre, g = valeur de l'accélération de lapesanteur, + = latitude terrestre) Grace à cette disposition, la condition de syntonisation correspondant à la relation simple suivante suffit F/H = 1/giV= l/K,

o K = facteur d'échelle.

Si l'on ne tient pas compte de cet angle y, c'est-à-

dire si l'on choisit la verticale comme position de zéro, alors la syntonisation correspondant à la relation suivante doit suffire F _1 e H 7nr (l EÉ tg4,)

2 - g-

(o = vitesse est-ouest plus vitesse périphérique locale VE

de la Terre, 4 = latitude géographique, avec pour le vec-

teur de torsion orienté vers le haut ou vers le bas).

Dans les formules ci-dessus, la vitesse est-ouest plus

la vitesse périphérique locale de la Terre ainsi que la lati-

tude terrestre sont des paramètres, qui varient constamment pendant le déplacement du véhicule. Or cela implique que le facteur F divisé par H doit continuellement être redéterminé,

ce qui entraîne une dépense considérable en puissance du cal-

culateur. Dans le système de navigation par inertie à référence de

cap et de position décrit ici, on peut en outre, suivant l'in-

vention, déterminer, d'après les angles de Cardan des pendules gyroscopiques et d'après la vitesse par rapport à la Terre,

la direction du nord en coordonnées fixes par rapport au vé-

hicule, en formant la différence de signaux de synchronisation

correspondants, qui est proportionnelle à la vitesse inertiel-

le du véhicule et en déterminant, d'après la différence de cette vitesse inertielle du véhicule et de la vitesse par rapport à la Terre déterminée extérieurement ou intérieurement la vitesse périphérique de la Terre en coordonnées fixes par rapport au véhicule, moyennant quoi, après division par la valeur connue en chaque lieu de la vitesse périphérique de la

Terre, on obtient la direction du nord.

Suivant l'invention, on peut en outre déterminer la vitesse par rapport à la Terre par inertie, en formant la moyenne arithmétique de signaux d'accélération correspondants et en décomposant cette moyenne, à l'aide de la direction du nord

calculée en composantes nord et est, en l'intégrant en vites-

se par rapport à la Terre en coordonnées géographiques et en la transformant en vitesse horizontale par rapport à la * 9".?i926 Terre en coordonnées fixes par rapport au véhicule de nouveau

au moyen de la direction du nord calculée.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des-

cription détaillée qui suit et à l'examen des dessins joints qui en représentent, à titre d'exemples non limitatifs, plu-

sieurs formes d'exécution.

Sur ces dessins:

- la figure 1 représente de façon comparative la posi-

tion de zéro zn des pendules gyroscopiques, qui conduit à une

condition de syntonisation dépendant des manoeuvres et la po-

sition de zéro z qui conduit, suivant l'invention, à une a- condition de syntonisation constante; - la figure 2 représente sous forme de schéma symbolique l'utilisation d'un pendule gyroscopique comme référence de position;

- la figure 3 représente un schéma symbolique de la na-

vigation a l'estime, avec détermination de position et de cap, basée sur une vitesse mesurée extérieurement ainsi que sur

les signaux de sortie de synchronisation de deux pendules gy-

roscopiques;

- la figure 4 représente un schéma symbolique de la na-

vigation par inertie, avec détermination de position et de

cap, basée sur les signaux des accéléromètres et sur les si-

gnaux de synchronisation de deux pendules gyroscopiques; - la figure 5 représente le schéma symbolique d'une autre version de la navigation par inertie, avec détermination de position et de cap, basée sur les signaux des accéléromètres

et sur les signaux de synchronisation de deux pendules gyros-

copiques, et - la figure 6 est une représentation de principe de la

détermination de la position de vol et de la vitesse par rap-

port à l'espace inertiel.

Le système de navigation par inertie et de navigation à l'estime suivant l'invention est basé sur l'utilisation de

deux pendules gyroscopiques, dont les vecteurs de torsion res-

pectifs sont orientés vers le haut et vers le bas, et qui sont constitués chacun par un gyroscope de position suspendu à la Cardan ainsi que par deux accëléromètres liés mécaniquement de façon rigide avec des pendules, agissant suivant les deux axes d'entrée gyroscopiques et dont les signaux de sortie

sont appliqués après une amplification F directement aux gé-

nérateurs de couple gyroscopique orthogonaux à ces axes.

Dans la navigation par inertie, les deux pendules gyros-

copiques sont les uniques senseurs pour le cap, la position et la navigation. Dans la navigation à l'estime, ils servent de référence de cap etde position pour un senseur de vitesse extérieur, tel qu'un radar Doppler, un sonar Doppler ou un loch.

La représentation dela figure 1 montre la position de zé-

ro connue d'un pendule gyroscopique, dans laquelle l'axe de

torsion s'étend suivant la direction dela verticale (accélé-

ration de la pesanteur g). Avec cette disposition, la syntoni-

sation du pendule gyroscopique dépend de la-vitesse de rota-

-15 tion de la Terre plus la vitesse de transport. La syntonisa-

tion F/H, de même que la période du mouvement propre, sont

donc fonction de la latitude terrestre et de la vitesse est-

ouest, comme décrit précédemment. Suivant l'invention, l'o-

rientation de la position de zéro du pendule gyroscopique suivant la gravitation G conduit à un rapport constant F/H pour la condition de syntonisation et, par conséquent, à une

simplification du traitement ultérieur du signal de mesure.

Cette nouvelle position de zéro suivant l'invention est

obtenue par rapport à la position connue par une légère in-

clinaison autour de l'axe est-ouest, d'un angle inférieur à

6 -fiie'n. Elle s'établit lors de l'utilisation du pendule gyros-

copique syntonisé lorsque l'accélération mesurée est appli-

quée directement, c'est-à-dire sans compensation de l'accé-

lération de Coriolis, après l'amplification F, aux générateurs

de couple gyroscopique.

Sur un véhicule immobile et sur un véhicule mobile, le pendule gyroscopique syntonisé, incliné de a y autour des axes horizontaux x et y indique la vitesse Vn du véhicule x,y par rapport à l'espace inertiel a =1.in x,y+K. Vxiy in

o V = vitesse par rapport à la Terre plus vitesse périphé-

rique de la Terre avec + pour un vecteur de torsion orienté

respectivement vers le haut ou vers le bas.

L'angle a x y ainsi que les angles de roulis et de tan--

gage 0 et O sont superposés dans le véhicule aux angles de Cardan d'un pendule gyroscopique. Comme on peut le voir sur la figure 6, la séparation des angles de roulis et de tangage ainsi que de l'angle d'inclinaison s'effectue par formation de la somme et de la différence des angles de Cardan de deux

pendules gyroscopiques ayant des vecteurs de torsion respec-

tifs orientés vers le haut et vers le bas, ou vecteurs de tor-

sion opposés, pendules qui seront désignés ci-après par sim-

plification sous le nom de "pendules gyroscopiques opposés".

Un pendule gyroscopique est utilisable comme système de référence de position lorsque, comme indiqué sur la figure 2, une référence de vitesse extérieure l (par exemple tube de Pitot, loch, radar Doppler, sonar Doppler) et une référence de cap -X (par exemple compas magnétique) sont disponibles. Avec la vitesse périphérique de la Terre qui, dans de larges étendues,

peut être ajoutée sous forme de constante, on peut alors com-

penser sur les angles de Cardan du pendule gyroscopique l'an-

gle a mentionné ci-dessus en grandeur et en direction. Les angles de roulis et de tangage peuvent alors être déterminés

avec une grande précision.

Comme on peut le voir d'après la figure 3, deux pendules gyroscopiques opposés peuvent être utilisés comme référence de cap et de position tandis que, comme indiqué ci-dessus, la somme des angles de Cardan correspondants fournit les angles de roulis et de tangage. Pour déterminer le cap, on compense sur les angles a x y la composante résultant de la vitesse par rapport à la Terre mesurée extérieurement. On dispose alors d'un signal proportionnel à la vitesse périphérique de la Terre Vie * en grandeur et en direction, signal qui est évalué pour déterminer la direction du nord et la latitude terrestre.

La navigation par inertie permet une détermination auto-

nome de la vitesse par rapport à la Terre et la détermination

du cap peut également s'effectuer de façon autonome par utili-

sation des signaux d'accéléromètres des deux pendules gyros-

copiques opposés. Un système correspondant est indiqué sur

le schéma symbolique de la figure 4.

Pour compenser l'influence de l'accélération verticale sur les pendules gyroscopiques inclinés, on forme chaque fois

la moyenne arithmétique de signaux d'accéléramètres correspon-

dants des pendules gyroscopiques opposés et on leur fait su-

bir un traitement supplémentaire en vue de la navigation.

Comme représenté sur la figure 4, on travaille avec un cal- culateur de navigation, qui est programmé de telle manière que le vecteur de la vitesse par rapport à la Terre Vn du

véhicule en coordonnées géographiques soit calculée directe-

ment. Sur la figure 4, la branche médiane représente le calcul en direction et en grandeur de la vitesse périphérique de la Terre pour déterminer la direction du nord et pour assurer une détermination redondante de la latitude terrestre. Pour

calculer la vitesse par rapport à la Terre, le signal d'ac-

céléromètres est transformé, avec la matrice de transformation

de la direction du nord connue C (ip), en système de coor-

na

données géographiques. Après correction de l'accélération ap-

parente, on procède à l'intrégation en vitesses nord et est.

La vitesse par rapport à la Terre horizontale Va suivant des -a

axes fixes par rapport au véhicule est obtenue par une nouvel-

le rotation avec les transposées de C (t>.

na Le schéma symbolique de la figure 5 se distingue de celui

de la figure 4 en ce qu'il représente un autre mode de naviga-

tion par inertie. Alors que, d'après la figure 4, on détermine tout d'abord la vitesse par rapport à la Terre V *, dans le -n cas de la figure 5, on détermine tout d'abord la croissance de la vitesse inertielle A Vin l qui, pour déterminer le cap, estprise en ligne de compte dans la branche médiane. Ensuite, on utilise la direction de la vitesse périphérique de la Terre

au lieu de-départ pour déterminer la direction du nord. La mi-

se en forme du signal selon la figure 5 est avantageuse pour

des véhicules qui subissent des manoeuvres verticales impor-

tantes car, ainsi, le signal c' * calculé à partir de la vi-

-n

tesse d'une manière connue et qui est destiné à la compensa-

tion de l'accélération apparente, n'a besoin de contenir au-

cune composante proportionnelle à la vitesse verticale.

Dans les deux systèmes des figures 4 et 5, le réseau de transmission des signaux à réaction et maillé conduit à des propriétés dynamiques, qui correspondent à celles d'un système

de navigation par inertie classique.

2 $ 1926

Les avantages particuliers de l'invention sont les sui-

vants: les pendules gyroscopiques fonctionnent sans avoir besoin d'être guidés par un calculateur. En cas de panne du calculateur, les deux pendules gyroscopiques peuvent encore être utilisés comme système de référence de cap et de posi-

tion pour un senseur de vitesse extérieur. En cas de défail-

lance de l'un des deux pendules gyroscopiques, l'autre peut encore être utilisé comme référence de position de grande précision.

NOTATIONS

a [m/s c eni/s.7 CI Z-/S 2j c' f m/sy

C C

=an' ô an F úNm/(m/s g Zim/s23 G 2/s 7 H [Nms] K Zm/s/rad R Zm/ V [m/s] a Zrad] a Zrad.7 y à X CI Q /rad] (-rad] [rad7 4rad] Z!ad] [radj [rad/sj Accélération Accélération de Coriolis Accélération de Coriolis déduction faite de la composante due à la vitesse verticale (t) Matrice pour la transformation vectorielle du système de coordonnées géographiques en système

de coordonnées à axes d'azimut (définition ci-

après sous le titre "Indices") 2)j Amplification Accélération de la pesanteur Gravitation de la Terre Torsion gyroscopique Facteur d'échelle K = R = 7,24 Ikm/h/s-êi Rayon de la Terre Vitesse

Inclinaison d'un pendule gyroscopique par rap-

port à G (voir figure 2) Angle de Cardan d'un pendule gyroscopique (voir figure 2) Angle entre g et G (voir figure 1) Croissance d'une grandeur, par exemple AV Angle de tangage de l'avion Longitude terrestre Lattitude terrestre Angle de roulis de l'avion Angle de lacet de l'avion Vitesse de rotation de la Terre R1 = 1/R (1/ (Rcos +)

INDICES

Les indices supérieurs indiquent des directions de mouve-

ment, par exemple "ie signifie "Terre par rapport à espace inertiel". Les indices inférieurs indiquent -des systèmes de coor-

données de référence.

a Système d'axes d'azimut = Projection du système de coor-

données fixe par rapport à l'avion sur le plan horizontal e Système de coordonnées fixe par rapport à la Terre E Direction est n Système de coordonnées géographiques N Direction du nord g Système de coordonnées fixe par rapport aux pendules gyroscopiques I,II Pendule gyroscopique I ou II

SIGNES

* Grandeur calculée ou mesurée - Vecteur = Matrice

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de navigation par inertie à référence de cap et de position, dans lequel il est prévu, comme senseurs, deux pendules gyroscopiques à vecteurs de torsion respectifs orientés vers le haut et vers le bas et qui sont constitués

chacun par un gyroscope de position suspendu à la Cardan ain-

si que par deux accéléromètres liés mécaniquement de façon

rigide à celui-ci, qui agissent suivant ses deux axes d'en-

trée, et dont les signaux de sortie, après une amplification

F, sont appliqués directement aux générateurs de couple gy-

roscopique orthogonaux par rapport auxdits axes, ledit systè-

me comportant en outre un calculateur pour déterminer la vi-

tesse par rapport à la Terre,la position et la direction du nord et ledit système étant caractérisé en ce que les pendules gyroscopiques, dans leur position de zéro, sont orientés sur

le vecteur de la gravitation dela Terre.

2. Système de navigation par inertie à référence de cap et de position suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine la direction du nord à partir des angles de Cardan des pendules gyroscopiques et de la vitesse par rapport à la Terre en coordonnées fixes par rapport au véhicule, en formant la différence de signaux de synchronisation correspondants, différence qui est proportionnelle à la vitesse inertielle du véhicule inertiel et en ce qu'on détermine, à partir de la différence entre cette vitesse inertielle du véhicule et la vitesse par rapport à la Terre déterminée extérieurement ou

intérieurement, la vitesse périphérique de la Terre en coor--

données fixes par rapport au véhicule, moyennant quoi, après division par la valeur connue en chaque lieu de la vitesse

périphérique de la Terre, on obtient la direction du nord.

3. Système de navigation par inertie à référence de cap

et de position suivant l'une quelconque des revendications 1

et 2, caractérisé en ce qu'on détermine la vitesse par rapport à la Terre par inertie, en formant la moyenne arithmétique de signaux d'accélération correspondants, en décomposant cette

moyenne, à l'aide de la direction du nord calculée, en compo-

santes nord et est, en intégrant ladite moyenne en vitesse par rapport à la Terre en coordonnées géographiques et en la transformant en vitesse horizontale par rapport à la Terre en coordonnées fixes par rapport au véhicule, à nouveau au moyen de la direction du nord calculée