RU2056037C1 - Гироазимутгоризонткомпас - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к морскому навигационному приборостроению. Целью изобретения является повышение точности и надежности выработки курса и углов качек гироазимутгоризонткомпасом (ГАГК). ГАГК выполнен на базе гирокомпаса (ГК), измерителей угловых ускорений и ньютометров с взаимно ортогональными осями чувствительности, параллельными главным строительным осям судна. Выходы измерителей угловых ускорений, ньютометров и ГК соединены с входом вычислителя, выходы которого через блок поправок подключены к входу ГК. Предлагаемый ГАГК найдет широкое применение на морских объектах различного назначения. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к морскому навигационному приборостроению.

Известны корабельные навигационные комплексы, включающие ряд приборов, вырабатывающих курс, углы качки и динамические параметры движения корабля. Известна система автоматического управления движения (САУД) "Бриз", в которой гироазимутгоризонткомпас (ГАГК) формируется как комплексная система по данным гирокомпаса (ГК) "Вега", гировертикали (ГВ), гироскопического датчика угловой скорости (ДУС) и измерителя линейных ускорений [1]
Основным недостатком такого построения ГАГК является низкая надежность из-за значительного количества интерфейсных блоков и связей между гироскопическими датчиками, входящими в состав рассматриваемой схемы. Кроме того, в данном ГАГК не решен вопрос компенсации инерционных (баллистических) погрешностей.

Известен также ГАГК [2] который состоит из двух, модернизированных ГК "Вега", информационно связанных друг с другом и блока поправок (БП). Модернизация ГК предполагает установку на каждой из осей гироблока (ГБ) списывающих устройств вращающихся трансформаторов (ВТ) с целью измерения углов бортовой θ и килевой ψ качек. При этом главная ось ГБ одного ГК ориентируется по линии N-S, а второго по линии Е-W. Для этого по горизонтальной оси подвеса "восточного" ГБ (ГБ^Е) следует приложить дополнительный управляющий момент, пропорциональный разнице курсов (в плоскости горизонта) "северного" ГБ (ГБ^N) и ГБ^Е. Кроме того, по вертикальной оси подвеса гироблока ГБ^Е нужно приложить вместо момента скоростной коррекции корректирующий момент, пропорциональный Ucos Φ + V_Е/R (U, R угловая скорость и средний радиус Земли, Φ- широта места, V_Е восточная составляющая скорости судна). Остальные моменты прикладываемые к гироблоку ГБ^Е, аналогичным моментам, прикладываемым к ГК "Вега". Таким образом, при приложении описанных выше моментов к гироблокам ГБ и ГБ^Е, их главные оси устанавливаются в плоскостях N-S и Е-W соответственно. При движении судна курсом К=0^о с ВТ, установленного на вертикальном кардановом кольце подвеса ГБ^N, снимается информация о курсе, а с ВТ, установленного на горизонтальном кольце ГБ^N информация об угле дифферента.

С аналогичных ВТ ГБ^Е снимается информация о курсе (К+90^о) и угле крена. При движении судна в условиях качки углы К,ψ и θ рассчитываются с помощью вычислительного устройства (ВУ). Для минимизации инерционных (баллистических) погрешностей 1 рода в рассматриваемом ГАГК предусмотрена подача в выходные сигналы индикаторов горизонта ГК компенсационных поправок, сформированных по данным лага.

Недостатком известного устройства [2] которое выбрано в качестве прототипа, является
необходимость использования в составе ГАГК второго карданного гироскопического прибора ГК, что существенно снижает надежностные характеристики ГАГК в целом, увеличивает массо-габаритные характеристики по сравнению с ГК;
неудовлетворительная компенсация инерционных погрешностей ГК, так как по данным лага невозможно сформировать значения ускорений судна с высокой точностью (особенно при маневрировании по курсу).

Целью изобретения является повышение точности и надежности выработки курса и углов качек ГАГК, построенном на базе ГК. Дополнительной целью является выработка ряда динамических параметров движения судна (угловых и линейных ускорений, угловых скоростей и др.).

Поставленная цель достигается тем, что в устройство помимо ГК и БП введены три измерителя угловых ускорений (ИУУ) с взаимноортогональными осями чувствительности, параллельными главным строительным осям судна, три ньютонометра (Н) с взаимноортогональными осями чувствительности, параллельными главным строительным осям судна, и вычислитель, при этом выходы ИУУ, Н и ГК соединены с входами вычислителя, выходы которого через БП подключены к входу ГК. Вычислитель включает три интегратора (И) данных ИУУ, три И данных Н, блок определения угловых скоростей (БОУС), сумматор (С), блок определения параметров ориентации (БОПО), три преобразователя координат (ПК) и три наблюдающих устройства (НУ), соединенных соответствующим образом.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого ГАГК.

ГАГК включает ГК 1, три ИУУ 2, 3 и 4, три ньютонометра 5, 6 и 7 и вычислитель. Вычислитель состоит из трех интеграторов данных ИУУ И 8, И 9 и И 10, трех интеграторов данных ньютонометров И 11, И 12 и И 13, блока определения угловых скоростей 14, сумматора С 15, БОПО 16, трех преобразователей координат ПК 17, 18 и 19, трех наблюдающих устройств НУ 20, НУ 21 и НУ 22; блока поправок БП 23.

Функционирование ГАГК осуществляется следующим образом.

По данным ИУУ 2, 3 и 4 после интегрирования в И 8, И 9, И 10 и учета поправок, которые выступают также и начальными условиями интегрирования, вырабатываются значения ω_x, ω_y, ω_z проекций вектора угловой скорости объекта в связанной системе координат хyz (оси которой параллельным главным строительным осям судна), которые поступают в блок БОПО. Блок БОУС обеспечивает выработку угловых скоростей ω_E,ω_N,ω_Hгоризонтального географического трехгранника ЕNН по данным Н после их преобразования в ПК 17 из осей связанного трехгранника ХYZ в географические, интегрирования в И 11, И 12 и И 13 и получения составляющих V_Е, V_N, V_Н вектора линейной скорости объекта, а также информации о широте места Φ_в от внешнего измерителя (например, системы счисления координат места по данным лага и компаса или приемоиндикатора спутниковой навигационной системы типа "Навстар" или "Глонасс").

В блоке БОУС решаются следующие зависимости:
ω_E= -

ω_N= (U+

)cosΦ ω_н= (U+

)sinΦ,

(1)
R_Φ=

R_λ=

где U=7 · 292116 · 10^-5 1/C;
а 6378245 м;
е² угловая скорость суточного вращения Земли и параметры земного эллипсоида.

В блоке БОПО по данным ω_x,ω_y,ω_z от УА и данным ω_E,ω_N,ω_H от блока БОУС с учетом поправок (Δ К_им по курсу, Δ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{Е}}{\text{r}}$ , Δ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{N}}{\text{r}}$ по аналитическому построению плоскости горизонта, поступающим из наблюдающих устройств НУ 20, НУ 21, НУ 22) вырабатываются текущие значения курса К, углов килевой ψ и бортовой θ качек объекта. Для вычисления углов К, ψ, θ в блоке БОПО реализуются следующие алгоритмы.

Численное интегрирование кинематического уравнения для вычисления относительного кватерниона Н (Н= Н_о + i · Н₁ + jx x Н₂ + R · Н₃), составляющие которого являются параметрами Родрига-Гамильтона и определяют ориентацию связанного трехгранника ХYZ относительно горизонтного географического ЕNН, можно осуществить реверсивным алгоритмом первого порядка.

Алгоритм построен на основе нахождения переходной матрицы П в виде:

(

П

H+H•M), (2) где М 1Н|²,Н|² Н $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{0}}$ + Н $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ + + Н $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ + Н $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{3}}$ норма кватерниона, которая по определению должна быть равна 1. Член Н · М обеспечивает автоматическую коррекциюН|
П

(3) где θ_x,θ_y,θ_z элементарные приращения углов поворота объекта в инерциальном пространстве за интервал времени Т, определяемые как θ_x=ω_x,T,θ_y=ω_y·T, θ_z=ω_z·T₁;ε_E,ε_N,ε_H элементарные приращения углов поворота горизонтального географического трехгранника за тот же интервал времени, которые определяются в блоке БУС, т.е. ε_E=ω_E·T,ε_N= ω_N·T, ε_H=ω_H· Т.

Для вычисления параметров ориентации: курса К и углов θ, качек по информации о вычисленных составляющих кватерниона Н_о, Н₁, Н₂, Н₃ можно воспользоваться зависимостями
ψ arctg

(4)
θ arctg

K 2 arctg

Грубая начальная выставка ГАГК, т.е. задание начальных значений углов К, θ и ψ осуществляется по данным ГК и сигналам ЛА при неподвижном объекте
K(t_o) K_гк, θ(t_o)

ψ(t_o)

(5) где g_о ускорение нормальной силы тяжести.

К выходным данным блока БОПО, вычисляемым согласно (4), добавляются поправки, непрерывно вырабатываемые в наблюдающих устройствах НУ 20, НУ 21, НУ 22, а именно
K_к+1= K_к+

,
θ_к+1= θ_к+

, (6)
ψ_к+1= ψ_к+

, где

cosK-

sinK,

(

cosΚ+

sinK). (7)
Для выработки поправок в наблюдающих устройствах обрабатываются следующие измерения, поступающие непрерывно:
в НУ 20: Z₁ К_им К_гк,
в НУ 21: Z₂ V_Е V_АsinК,
в НУ 22: Z₃ V_N V_лcosК. (8)
Для обработки измерений (8) может использоваться, например, стандартный алгоритм фильтра Калмана третьего порядка, который позволяет на выходе сглаживающих устройств получать следующие непрерывные поправки:
НУ 20:

K_им

,

K_гк;
НУ 21:

,

V_E; (9)
НУ 22:

,

V_N.

Предлагаемая схема ГАГК имеет два выхода по курсу: один из блока БОПО вместе с углами качек, второй после суммирования в С 15 данных ГК с поправкой Δ К_гк: вырабатываемой в наблюдающем устройстве КУ 20.

Кроме того, для повышения точности ГК предусмотрена коррекция выходных данных индикатора горизонта ГК путем подачи компенсационных сигналов из блока поправок БП 23 (аналогично прототипу). Отличием данной схемы ГАГК является то, что компенсационные сигналы в БП формируются по сигналам ньютонометров, преобразованным в ПК 17 на географические оси (в прототипе компенсационные сигналы формируются по данным лага).

Указанное отличие существенно повышает точность выработки курса в предложенной схеме ГАГК. Отметим также возможность реализации предложенного устройства на базе маятникового ГК, который обладает значительно лучшими надежностными характеристиками по сравнению с прототипом.

Claims (2)

1. ГИРОАЗИМУТГОРИЗОНТКОМПАС, включающий в себя гирокомпак и блок поправок, отличающийся тем, что в него введены три измерителя угловых ускорений с взаимно ортогональными осями чувствительности, параллельными главным строительным осям судна, три ньютонометра с взаимно ортогональными осями чувствительности, параллельными главным строительным осям судна, и вычислитель углов качки и курса, при этом выходы измерителей угловых ускорений, ньютонометров и гирокомпаса соединены с входами вычислителя, выходы которого через блок поправок подключены к входу гирокомпаса, кроме того в вычислителе предусмотрены входы для ввода информации от внешних измерителей линейной скорости судна и широты места.

2. Гироазимутгоризонткомпас по п.1, отличающийся тем, что вычислитель включает в себя три интегратора данных измерителей угловых ускорений, три интегратора данных ньютонометров, блок определения угловых скоростей, сумматор, блок определения параметров ориентации, три преобразователя координат и три наблюдающих устройства, при этом выходы интеграторов данных измерителей угловых ускорений соединены с тремя входами блока определения параметров ориентации, другие четыре входа которого подключены к первым выходам трех наблюдающих устройств и выходу блока определения угловых скоростей, выходы блока ориентации параметров ориентации соединены с входами первого и третьего преобразователей координат и первым входом первого наблюдающего устройства, три выхода первого преобразователя координат соединены с входами интеграторов данных ньютонометров, выходы которых соединены с тремя входами блока определения угловых скоростей и первыми входами второго и третьего наблюдающих устройств, два других входа блока определения угловых скоростей и еще один вход блока определения угловых скоростей предназначены для ввода информации от внешнего измерителя широты места, кроме того, второй вход первого наблюдающего устройства соединен с выходом гирокомпаса, а вторые входы второго и третьего наблюдающих устройств предназначены для ввода информации от внешнего измерителя линейной скорости через второй преобразователь координат, вторые выходы наблюдающих устройств соединены через третий преобразователь координат соответственно с входами интеграторов данных измерителей угловых ускорений, третий выход первого наблюдающего устройства соединен также с входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом гирокомпаса, выход сумматора соединен с вторым входом второго преобразователя координат.

Images