RU2000544C1 - Гироскопическа навигационна система дл подвижных объектов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области навигации может быть использовано дл  морских , воздушных и наземных объектов, а также дл  гравиметрических и маркшейдерских работ. Техническим эффектом  вл етс  уменьшение массо-габаритных характеристик устройства, его упрощение при сохранении точностных характеристик. Изобретение относитс  к области навигации и может быть использовано дл  морских , воздушных и наземных объектов, а также дл  гравиметрических и маркшейдерских работ. Известна гироскопическа  навигационна  система, содержаща  гирогоризонтком- пас и гироазимут. Недостатком этой системы  вл етс  сложность. Наиболее близким техническим решением  вл етс  гироскопичес( з  навигационна  система дл  подвижных объектов. Технический эффект достигаетс  за счет того , что гироплатформа 1 снабжена только одним трехстепенным гироскопом б, кроме того, на ней установлен датчик абсолютной угловой скорости 13. На основании информации с датчиков углов 9, 10 гироскопа, датчик 13, датчиков углов 16, 17 и блока приема информации скорости объекта 5 в блоке управлени  и выработки выходных параметров 2 и автономном 4 и неавтономном 3 блоках аналитической выработки курса система вырабатывает следующие параметры: курс и углы качек объекта, путева  скорость объекта, координаты места и неавтономно вырабатываемые курс объекта и широта места . Миниатюризаци  гироскопического модул  достигаетс  тем, что исключаютс  из конструктивов узел карданного кольца с неограниченным углом поворота вместе с переходной контактной колонкой и датчиком угла, измерителем курса объекта. Курс объекта при этом вырабатываетс  аналитически , и гироплатформа св зана с объектом двуосным карданным подвесом с неограниченным углом поворота. 1 ил. содержаща  трехстепенной гироскоп с датчиками углов и датчиками моментов по ос м рамок, или два двухстепенных гироскопа с датчиками углов и датчиками момента по ос м рамок, установленные на гиростабили- зированной платформе, первый и второй акселерометры горизонтальных каналов, установленные на гиростабилизированной платформе. Карданный подвес гиростабилизированной платформы снабжен след щими двигател ми по ос м подвеса. Гироскопическа  навигационна  система 73 С ю о о о СП N 4 О

Description

содержит также блок приема информации о скорости объекта, а также блок управлени  и выработки выходных параметров, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым акселерометрами соответственно , третий вход - с выходом блока приема информации о скорости объекта, четвертый и п тый входы - с выходами датчиков углов соответственно первого и второго след щих двигателей, установленных по ос м карданова подвеса. Остальные входы блока управлени , число которых соответствует числу датчиков углов гироскопов, соединены с выходами соответствующих датчиков углов гироскопов, выходы блока управлени  и выработки выходных параметров по сигналам управлени , число которых сортветствует числу датчиков момента гироскопов , соединены с соответствующими датчиками момента.

Карданный подвес, св зывающий стабилизированную гироплатформу с объектом , выполнен в виде трехосного карданного подвеса. Азимутальное карданное кольцо, обеспечивающее свободу вращени  гироплатформы вокруг вертикальной оси, имеет неограниченный угол поворота.

Дл  передачи электрических сигналов с неподвижной части прибора на гироплатформу и обратно на оси азимутального кольца монтируетс  специальна  переходна  контактна  колонка, кольца которой и контакты выполн ютс  из золота, платины и ириди . При этом само азимутальное кольцо в значительной степени определ ет конструктивы гироскопического модул  - центрального прибора гироскопической навигационной системы.

Техническим эффектом  вл етс  сокращение массо-габаритных характеристик устройства , его упрощение при сохранении точностных характеристик.

Технический эффект достигаетс  тем, что в гироскопической навигационной системе дл  подвижных объектов, содержащей трехстепенной гироскоп с датчиками углов и датчиками моментов по ос м рамок или два двухстепенных гироскопа с датчиками углов и датчиками моментов по ос м рамок, установленный на гиростабилизированной платформе, первый и второй акселерометры горизонтальных каналов, установленные на гиростабилизированной платформе, карданный подвес гиростабилизированной платформы снабжен след щими двигател ми по ос м подвеса, блок приема информации о скорости объекта, а также блок управлени  и выработки выходных параметров , первый и второй входы которого соединены с первым и вторым акселерометрами

соответственно, третий вход - с выходом блока приема информации о скорости объекта , четвертый и п тый входы - с выходами датчиков углов соответственно первого и второго след щих двигателей, установленных по ос м карданова подвеса, остальные входы блока управлени , число которых соответствует числу датчиков углов гироскопов , соединены с выходами

соответствующих датчиков углов гироскопов , выходы блока управлени  и выработки выходных параметров по сигналам управлени , число которых соответствует числу датчиков момента гироскопа, соединены с

соответствующими датчиками момента. Карданный подвес гиростабилизированной платформы выполнен двухосным, дополнительно введены блок неавтономной аналитической выработки курса объекта, первый

вход которого соединен с выходом приема информации о скорости объекта, а остальные входы - с соответствующими выходами блока управлени  и выработки выходных параметров по сигналам управпени . На гиростабилизированной платформе установлен датчик абсолютной угловой скорости, ось чувствительности которого перпендикул рна плоскости гиростабилизированной платформы, а также введен блок автономной аналитической выработки курса объекта , первый вход которого соединен с датчиком абсолютной угловой скорости, второй вход - с блоком приема информации о скорости объекта, третий и четвертый входы - с выходами блока неавтономной аналитической выработки курса по сигналам курса и широты соответственно, остальные входы соединены соответственно с выходами блока управлени  и выработки выходных

параметров по сигналам управлени , дополнительный вход блока управлени  соединен с выходом датчика абсолютной угловой скорости.

На чертеже представлена функциональна  схема гироскопической навигационной системы дл  подвижных объектов, где 1 - гиростабилизированна  платформа, 2 - блок управлени  и выработки выходных параметров , 3 - блок неавтономной аналитической выработки курса объекта, 4 - блок автономной аналитической выработки курса объекта, 5 - блок приема информации о скорости объекта, 6 - трехстепенной гироскоп , 7 и 8 - датчики момента гироскопа. 9

и 10 - датчики углов гироскопа, 11 и 12 - первый и второй акселерометры горизонтальных каналов, 13 - датчик абсолютной угловой скорости, 14 и 15 - след щие двигатели стабилизации, 16 и 17 - д гчики углов

соответственно первого и второго след щих двигателей.

Гироскопическа  навигационна  система дл  подвижных объектов содержит гиро- стабилизированную платформу 1, блок управлени  и выработки выходных параметров 2. На гироплатформе 1 расположены трехстепенной гироскоп 6 с датчиками момента 7, 8 и датчиками углов 9, 10. два акселерометра 11 и 12, оси чувствительности которых ортогональны между собой и параллельны плоскости гироплатформы. датчик абсолютной угловой скорости 13, выход которого св зан со входами блока управлени  и выработки выходных параметров 2 и блоком автономной аналитической выработки курса объекта 4. Первый и второй выходы акселерометров датчиков углов след щих двигателей 16, 17, датчиков углов 9. 10 трехстепенного гироскопа б и блока приема информации о скорости объекта 3 соединены с блоком управлени  и выработки выходных параметров 2, выходы которого соединены со след щими двигател ми стабилизации 14, 15. с датчиками момента 7 и 8 трехстепенного гироскопа 6. Входы блока неавтономной аналитической выработки курса объекта 3 соединены со сходами датчиков момента 7,8, и выходом блока приема информации о скорости объекта 5. Осталь- ные входы блока автономной аналитической выработки курса объекта 4 соединены со входами датчиков момента 7,8 и выходом блока приема информации о скорости объекта 5.

Гироскопическа  навигационна  система дл  подвижных объектов функционирует следующем образом: ось кинетического момента Hi в исходном положении ортогональна плоскости чертежа, так что оси подвеса гироскопа 6 и ось Hi, когда нет наклона объекта относительно плоскости горизонта, составл ют ортогональный трехгранник . Ось кинетического момента датчика абсолютной угловой скорости 13 параллельна плоскости гироплатформы 1. Оси чувствительности акселерометров 11, 12 ортогональны между собой и параллельны плоскости гироплатформы 1, при этом ось одного из акселерометров параллельна внутренней оси карданова подвеса гироплатформы 1, наружна  ось карданового подвеса которой параллельна продольной оси подвеса.

Гироплатформа 1 с помощью след щих двигателей 14 и 15 по сигналам рассогласовани  датчиков углов 9 и 10 гироскопа 6 все врем  удерживаетс  в одной плоскости с кожухом гироскопа 6. Кожух гироскопа б вместе с гироплэгформой 1 приводитс  в

горизонт и удерживаетс  в горизонте с помощью моментов, накладываемых через датчики моментов 7. 8 гироскопа 6 токами управлени  по сигналам, вырабатываемым о бпоке управлени  и выработки выходных параметров 2. Эти токи управлени  соответствуют горизонтальным составл ющим абсолютной угловой скорости трехгранника Дарбу, повернутого на угол К - курс объекта относительно географического трехгранника Дарбу. В свою очередь, сигналы, по которым вырабатываютс  токи управлени  гироскопа 6, вырабатываютс  в блоке управлени  и выработки выходных параметров 2 в результате обработки величин горизонтальных составл ющих кажущихс  ускорений вершин трехгранника Дарбу, измеренными акселерометрами 11 и 12, с использованием величины вертикальной составл ющей абсолютной угловой скорости трехгранника Дарбу, пропорциональной моменту, накладываемому датчиком момента датчика абсолютной угловой скорости 13, в качестве которого может быть использован гироскоп, работающих в режиме гиротахометра, при этом цепь датчик угла - усилитель - датчик момента представл ет собой электрическую пружину или гироскоп, работающий на ином физическом принципе. Следует отметить, что гироплатформа 1 может быть построена только на двухстепенных гироскопах. Дл  оценки вли ни  инструментальных погрешностей обозначим исходную систему координат - трехгранник Дарбу, повернутый на угол К относительно географического трехгранника |tyЈ. С гироплатформой 1 св жем систему координат - приборный трехгранник XYZ, котора  образуетс  из системы координат ф/Ј поворотом вокруг оси Ј на угол затем поворотом вокруг оси OY на угол у. Составл ющие абсолютной угловой скорости трехгранника обозначим соответственно р, q, r. Тогда сигналы управлени  гироскопом 6, вычисл емые в блоке 2 и подаваемые на входы датчиков момента 7. 8

будут иметь следующий вид:

г

О,

ах - &Q 0 ay - ао,

ц, и з

При этом S -оператор Лапласа

Цг q +Щ

4-ДО;

где ДО,ЛЦ,,ДЈ& погрешности определени  составл ющих абсолютной угловой скорости трехгранника Ј tj Ј

Эх и ay - показани  акселерометров 11 и 12, причем

ах q + гр - dy - р + rq - г/ ,/

где ob - частота Шуллера.

ft и у-суть ошибки вертикали места. Поскольку A.Q,, X + ф + AAq AQc /3-ry-f ДДр

где ДДр и AAq - дрейфы гироскопа б, уравнени  ошибок выработки горизонтальных составл ющих абсолютной угловой скорости трехгранника fyifc и вертикали места будут

+ + a&CJ О

Afife - usiny AQ + а&д AQg -cosing -cr AAqN- (1) - - uJslnpr/ + 5 ДДрЕ где б /3cosK + ysinK rj ycosK-/ sinK AQg AQ/cosK - . AQ; AQcCosK + АЦ,$1пК (О-углова  скорость Земли, (p- широта места,

Курс объекта, вырабатываемый блоком автономной аналитической выработки курса объекта 4, и другие автономно оырабаты- ваемые выходные параметры, получаемые на выходе блока управлени  2 наход тс  по составл ющим абсолютной угловой скорости QX. Ј2 у, Qz. приборного трехгранника XYZ следующим образом:

QcCOsKnp + - рпр

VFHD QjCOSKnp - Q SlnKnp UJCOSyTnp

Q + - tgipnp - Knp

где КПр - приборное значение курса объекта, р np приборное значение широты места,

VEnp - приборное значение восточной составл ющей скорости объекта относительно Земли,

R - радиус Земли.

Уравнени  ошибок автономного определени  курса объекта и широты места тогда запишутс 

Дрпр + (w + A)AKnPcosЈ - AЈfc

- Knpcosp + (w )-А)

- ДОгС05 р - )(2)

где &рпр - ошибка определени  широты места,

А Кпр - ошибка определени  курса объекта .

Ошибка автономного определени  скорости изменени  долготы места будет: АЯпр АОч cosy) 4- ДО- + (AKnPsin /)

Как видно из (2) переходной процесс автономного определени  курса объекта и широты места св зан с суточным периодом.

Дл  сокращени  переходного режима автономного определени  курса объекта и широты места а также дл  самосто тельного использовани  потребителем, предлагаемое устройство вырабатывает курс Кгшк и широту места ргщ неавтономно в режиме гирошироткомпаса при помощи блока неавтономной аналитической выработки курса 3, в котором реализуютс  следующие алгоритмы

V

tgK

О +

Ъ

гшк

5

0

0

5

0

5

0

-Vs

V(Q( + ) + Ј$ йХХ)

где /Л - скорость объекта от блока приема информации о скорости объекта 5, в качестве которого может использоватьс  лаг или приемное устройство, на выходе которого имеетс  значение скорости.

Тогда ДКгщк ДЙЕ к

АДшк л (О COSy)

AQg SlnK

и

(3)

О) Sin р

где А Кгшк, &р гшк - ошибки неавтономного 5 определени  курса объекта и широты места соответственно.

Из системы уравнений (1) следует, что установившеес  значение ошибки вертикали места определ ютс  AApEQJSiny

шо - (p А - AQeftJ cosy + AAqNt/J siry

оД

Возьмем АД РЕ AAqE 0,01°/ч инструментальна  погрешность определени  вертикальной составл ющей абсолютной угловой скорости трехгранника где ДА г - дрейф датчика абсолютной угловой скорости 13.

AAQz - погрешность электрической пружины, определ емой главным образом ошибкой вторичного источника тока. Примем АДг 0,01°/ч.

При относительной точности вторичного источника тока и максимальной скорости объекта вокруг вертикальной оси - 3°/с AAQz 0,1°/4

Тогда ошибка вертикали места будет, име  в виду О) о 4,5 1/ч

ю 1/ч

60°

пор дка 5 угл.с

Из системы управлени  (2) и (1) найдем установившеес  значение погрешности определени  курса объекта

ДК s - ДДРЕ ftJCOSy

дл  широты р - 60° Л К - 6 угл мин

При неавтономном определении курса объекта и широты места ошибки выработки курса объекта и широты места определ ютс  системой уравнений (3) и ко зависит от ЛОг.

Аотономное определение путевой скорости Упр, а также р Пр и Я рр, где Vnp A/|np . целесообразно, если значени  AQv, ЛЈ2Е и ДС2 z имеют один пор док. Это возможно тогда, когда относи- тельна  точность вторичного источника тока электрической пружины гироскопа 10 будет иметь значение пор дка 1СГ6дл  высокома- невренных объектов (циркул ци  объекта пор дка 3°/с) и наоборот - пор дка 1СГ5 дл  маломаневренных объектов типа подводных батискафов, Выполнение устройства не требует степени свободы относительно вертикальной оси, а следовательно, не нужно азимутальное еле- д щее кольцо.

Ненужной становитс  также переходна  контактна  колонка, т.к. п двухосном горизонтальном карданном подвесе электрические сигналы с неподвижной части ги- ромодул  на гироплатформу и обратно передаютс  в м гких жгутах через оси подвеса , имеющего ограниченные углы поворота , из-за наклона или качки объекта относительно плоскости горизонта. Далее курс объекта не отсчитываетс  в виде угла между заданной осью гироплатформы, ориентированной на север и продольной осью объекта, а аналитически вырабатываетс  по значени м токов, управл ющих гироскопом через посредством датчиков моментов. Это значит, что о предлагаемом устройстве отпадает необходимость в применении специ- ального датчика угла внутри гироскопического модул , измер ющего курс объекта. Двухосный карданный подвес в предлагаемом устройстве позвол ет создавать миниатюрный гироскопический модуль . При этом важно отметить, что в предлагаемой гироскопической навигаци- онной системе миниатюризаци  гиромоду- л  осуществл етс  таким образом, чтобы не ухудшить точность выработки курса объекта и вертикали места. Кроме этого, дл  малома- невренных объектов не ухудшаетс  также точность выработки путевой скорости и координат места. Сокращение массо-габэрит- ных характеристик системы делает возможным использование ее дп  буровых установок при разведке и добыче полезных ископаемых. Доукомплектование предлагаемой гироскопической навигационной системы гравиметром позвол ет использовать его при грапимет рических работах.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Гироскопическа  навигационна  система дл  подвижных объектов, содержаща  трехстепенной гироскоп с датчиками углов и датчиками моментов по ос м рамок или дра двухствупенчатых гирогкопа с датчиками углов и датчиками момент по ос м рз- мок.установленныйна

   гиростабилизированной платформе, первый и второй акселерометры горизонтальных каналов, установленные на гиростабилизированной платформе, карданный подвес гиростабилизированной платформы снабжен след щими двигател ми по ос м подвеса, блок приема информации о скорости объекта, а также блок управлени  и выработки выходных параметров , первый и второй входы которого соединены с первым и вторым акселерометрами соответственно, третий вход - с выходом приема информации о скорости объема , четвертый и п тый входы - с выходами датчиков углов соответственно первого и второго след щих двигателей, установленных по ос м карданова подвеса, остальные входы блока управлени , число которых соответствует числу датчиков углов гироскопов , соединены ( с выходами соответствующих датчиков углов гироскопов , выходы блока управлени  и выработки выходных параметров по сигналам управлени , число которых соответствует числу датчиков момента гироскопов, соединены с соответствующими датчиками момента, о т- ли чающа с  тем, что карданов подвес гиростабилизированой платформы выполнен двухосным и дополнительно введены блок неавтономной аналитической выработки курса объекта, первый вход которого соединен с выходом блока приема информации о скорости объекта , а остальные входы - с соответствующими выходами блока управлени  и выработки выходных параметров по сигналам управлени , на гиростабили- зирооаниой платформе установлен датчик абсолютной угловой скорости , ось чувствительности которого перпендикул рна плоскости гиростабилизированной платформы, а также введен блок аналитической выработки курса объекта, первый вход кото- poto соединен с датчиком абсолют ft ой угловой скорости, второй вход - с блоком приема информации о скорости объекта, т р р т и и и четвертый входы - с выходами неавтономной аналитической выработки курса по сигналам курс  и ши- ро. i соответственно, о с т а г ц i ы

   входы соединены соответственно с выходами блока управлени  и выработки выходных параметров по сигналам

   управлени , дополнительный вход блока управлени  соединен с выходом датчика абсолютной угловой скорости.

   У

   fyp Vftp #ПР