RU2062985C1 - Gyro horizon compass for mobile object - Google Patents
Gyro horizon compass for mobile object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2062985C1 RU2062985C1 RU93051503A RU93051503A RU2062985C1 RU 2062985 C1 RU2062985 C1 RU 2062985C1 RU 93051503 A RU93051503 A RU 93051503A RU 93051503 A RU93051503 A RU 93051503A RU 2062985 C1 RU2062985 C1 RU 2062985C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gyroscope
- axis
- gyro
- gyrohorizontcompass
- accelerometer
- Prior art date
Links
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для построения горизонтальной географической системы координат на сухопутных и морских подвижных объектах, а также на летательных аппаратах. Наличие на подвижном объекте информации об ориентации осей упомянутой системы координат позволяет определять углы бортовой и килевой качек, курс объекта, а также решать ряд других задач. The invention relates to the field of technical physics and can be used to build a horizontal geographical coordinate system on land and sea moving objects, as well as on aircraft. The presence of information on the orientation of the axes of the coordinate system on a moving object allows you to determine the angles of the side and keel qualities, the course of the object, and also solve a number of other problems.
Известна гироскопическая система (см.Патент РФ N 2000544, G 01 С 21/00, 1991, автор Беленький В.А. Бюллетень изобретений РФ N 33), принятая в качестве прототипа и способная выполнять функции гирогоризонткомпаса. В этой системе на двухосной платформе расположен гироскоп с вертикальной ориентацией вектора кинетического момента, два акселерометра и гиротахометр, измеряющий угловую скорость поворота платформы вокруг вертикального направления. Платформа с гироскопом и акселерометрами образует инерциальную гировертикаль, вырабатывающую качки объекта и совместно с гиротахометром курс объекта. Основное функциональное отличие этой системы от ранее известных устройств заключается в том, что в ней отсутствует платформа, физически ориентированная вдоль географического меридиана, а курс объекта вычисляется аналитическим способом. A known gyroscopic system (see RF Patent N 2000544, G 01 C 21/00, 1991, author Belenky V.A. Bulletin of inventions of the Russian Federation N 33), adopted as a prototype and capable of performing the functions of a gyrohorizon compass. In this system, on a biaxial platform, there is a gyroscope with a vertical orientation of the kinetic moment vector, two accelerometers and a gyrotachometer that measures the angular velocity of rotation of the platform around the vertical direction. A platform with a gyroscope and accelerometers forms an inertial gyro-vertical that generates pitching of the object and, together with the gyrotachometer, the course of the object. The main functional difference of this system from previously known devices is that it does not have a platform physically oriented along the geographic meridian, and the object’s course is calculated analytically.
При поворотах объекта по курсу в этой системе появляются дополнительные погрешности, связанные с неидентичностью свойств гироскопа по ортогональным координатам и ошибками устройств управления. К недостаткам этой системы можно также отнести ее неспособность работать с достаточной точностью в режиме гироазимута, т. к. свойства системы в этом режиме, в основном, определяются качеством гиротахометра. Как правило, гиротахометр представляет собой достаточно простой прибор умеренного качества. Последнее обстоятельство является причиной снижения качества работы системы по выработке курса объекта. When the object rotates along the course, additional errors appear in this system due to the non-identical properties of the gyroscope in orthogonal coordinates and control device errors. The disadvantages of this system include its inability to work with sufficient accuracy in the gyro azimuth mode, since the properties of the system in this mode are mainly determined by the quality of the gyrotachometer. As a rule, a gyrotachometer is a fairly simple instrument of moderate quality. The latter circumstance is the reason for the decrease in the quality of the system in developing the course of the object.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание конструктивно простого и точного гирогоризонткомпаса для подвижных объектов, способного работать, кроме того, в качестве хранителя азимутального направления. The problem to which the present invention is directed, is to create a structurally simple and accurate gyrohorizon compass for moving objects, capable of working, in addition, as a custodian of the azimuthal direction.
Поставленная задача решается тем, что в предложенном устройстве трехстепенный гироскоп размещен в двухосном кардановом подвесе с высотно-азимутальной ориентацией осей и выполняет функции гирокомпаса или гироазимута, а также одноосной гировертикали, измеряющей угол наклона объекта в плоскости, в которой лежит вектор кинетического момента гироскопа, причем, угол наклона объекта в плоскости, перпендикулярной указанной, определяется аналитическим путем по показаниям акселерометра и гиротахометра, размещенных на элементах карданового подвеса. Таким образом, в предложенной системе физически реализуется направление, известным образом ориентированное относительно географического меридиана и палубы объекта в вертикальной плоскости, в которой лежит указанное направление, а наклоны палубы в перпендикулярной плоскости определяются аналитическим путем. При необходимости по значениям указанных параметров вычисляется по известным формулам сферической тригонометрии углы бортовой и килевой качек объекта или какие-либо другие углы, необходимые потребителям. The problem is solved in that in the proposed device, a three-stage gyroscope is placed in a biaxial gimbal with a vertical-azimuthal orientation of the axes and acts as a gyrocompass or gyro-azimuth, as well as a uniaxial gyro-vertical measuring the angle of inclination of the object in the plane in which the vector of the kinetic moment of the gyroscope lies, and , the angle of inclination of the object in a plane perpendicular to the specified is determined analytically according to the readings of the accelerometer and gyrotachometer located on the elements of the universal joint Odessa. Thus, in the proposed system, a direction is physically realized that is oriented in a known manner with respect to the geographic meridian and the deck of the object in the vertical plane in which the indicated direction lies, and the tilts of the deck in the perpendicular plane are determined analytically. If necessary, the values of these parameters are calculated according to the well-known formulas of spherical trigonometry, the angles of the side and keel qualities of the object or any other angles needed by consumers.
Такое выполнение устройства способствует повышению точности определения и хранения курса объекта. Качка объекта в одной плоскости вырабатывается достаточно точно, а в другой плоскости, в которой ее определение осуществляется аналитическим путем, эта точность зависит от свойств акселерометра и гиротахометра. Для ряда использований гирогоризонткомпаса гиротахометр может отсутствовать. This embodiment of the device improves the accuracy of determination and storage of the course of the object. The pitching of an object in one plane is generated quite accurately, and in another plane, in which it is determined analytically, this accuracy depends on the properties of the accelerometer and gyrotachometer. For some uses of the gyrohorizontcompass, a gyrotachometer may not be available.
Различная ориентация гироскопа относительно плоскости горизонта и направления оси вращения Земли позволяет получать различные устройства со специфическими свойствами, полезными для разных потребителей. Целесообразны устройства со следующими ориентациями вектора кинетического момента гироскопа:
вдоль географического меридиана, которая является традиционной для гирогоризонткомпаса;
в горизонтальной плоскости и при отсутствии управления скоростью прецессии гироскопа вокруг вертикальной оси, вследствие чего устройство приобретает свойства гироазимутгоризонта;
параллельно оси вращения Земли, что способствует уменьшению инструментальных и методических погрешностей, т.к. при этом нет необходимости управлять прецессионым движением гироскопа и может быть существенно уменьшена скоростная ошибка канала курсоуказания при использовании устройства на быстроходных маневрирующих объектах;
под произвольным углом по отношению к направлению оси вращения Земли и при отсутствии какого-либо управления скоростью прецессии гироскопа, что приводит к кажущемуся коническому движению вектора кинетического момента гироскопа вокруг указанного направления, что при наличии информации о времени и координатах объекта позволяет достаточно точно хранить азимутальное направление и решать ряд других задач.The different orientation of the gyroscope relative to the horizon plane and the direction of the Earth's axis of rotation allows us to obtain various devices with specific properties that are useful for different consumers. Appropriate devices with the following orientations of the vector of the kinetic moment of the gyroscope:
along the geographical meridian, which is traditional for the gyrohorizon compass;
in the horizontal plane and in the absence of control of the gyroscope precession velocity around the vertical axis, as a result of which the device acquires the properties of a gyroazimuth horizon;
parallel to the axis of rotation of the Earth, which helps to reduce instrumental and methodological errors, because there is no need to control the precession movement of the gyroscope and the speed error of the heading channel can be significantly reduced when using the device on high-speed maneuvering objects;
at an arbitrary angle with respect to the direction of the axis of rotation of the Earth and in the absence of any control of the gyroscope precession velocity, which leads to the apparent conical motion of the gyroscopic moment vector of the gyroscope around the indicated direction, which, if there is information about the time and coordinates of the object, allows the azimuthal direction to be stored quite accurately and solve a number of other problems.
Разнообразие свойств заявленных устройств позволяет их использовать на объекте как в единичном исполнении, так и в составе нескольких устройств, дополняющих и дублирующих друг друга. Такие устройства могут использоваться не только для определения направлений осей горизонтной географической системы координат,но и для выработки координат объекта. A variety of properties of the claimed devices allows them to be used on site both in a single execution and as part of several devices that complement and duplicate each other. Such devices can be used not only to determine the directions of the axes of the horizontal geographical coordinate system, but also to generate the coordinates of the object.
Выбор для использования того или иного из заявленных устройств необходимо производить с учетом возможной географической широты объекта и углов его наклона с тем, чтобы не допустить совпадения вектора кинетического момента гироскопа с нормалью к палубе объекта. В случае возможности такого совпадения устройство должно быть помещено в дополнительное кардановое кольцо, по аналогии с дополнительным кольцом крена, применяемым в гиростабилизаторах самолетов. The choice to use one or another of the claimed devices must be made taking into account the possible geographical latitude of the object and the angles of its inclination in order to prevent the gyroscope kinetic moment vector from coinciding with the normal to the deck of the object. If such a coincidence is possible, the device should be placed in an additional cardan ring, by analogy with the additional roll ring used in gyro stabilizers of aircraft.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема гирогоризонткомпаса. The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a gyrohorizon compass.
На внутренней платформе гиростабилизатора, способной поворачиваться вокруг оси X относительно кольца 1, установлен гироскоп 2 с датчиками угла 3 и датчиками момента 4, гиротахометр 5 и акселерометр 6. Ось симметрии гироскопа 2 и направление оси чувствительности акселерометра 6 ориентированы параллельно направлению Z, которое перпендикулярно оси X. Ось X лежит в плоскости палубы объекта. Гиротахометр 5 измеряет абсолютную угловую скорость поворота платформы вокруг оси Z. A gyroscope 2 with angle sensors 3 and moment sensors 4, a gyrotachometer 5 and an accelerometer 6 is installed on the internal gyrostabilizer platform that can rotate around the X axis relative to the ring 1, the gyrotachometer 5 and the accelerometer 6. The axis of symmetry of the gyroscope 2 and the direction of the sensitivity axis of the accelerometer 6 are oriented parallel to the Z direction, which is perpendicular to the axis X. The X axis lies in the plane of the deck of the object. Gyrotachometer 5 measures the absolute angular velocity of rotation of the platform around the Z axis.
На оси X установлен моментный двигатель 7, управляемый через усилитель 8 сигналами датчиками угла 3, возникающими при угловом рассогласовании оси симметрии гироскопа 2 относительно оси вращения его ротора. A torque motor 7 is installed on the X axis, controlled through an amplifier 8 by signals from angle sensors 3 arising from the angular mismatch of the axis of symmetry of the gyro 2 relative to the axis of rotation of its rotor.
На кольце 1 установлен акселерометр 9 с направлением оси чувствительности, параллельным оси X. Сущность изобретения не изменяется и при установке акселерометра 9 на внутренней платформе. Этот акселерометр реагирует на наклоны оси X относительно плоскости горизонта. Акселерометр 9 и гиротахометр 5 участвуют в определении угла ρ наклона объекта вокруг оси Z. An accelerometer 9 is installed on the ring 1 with the direction of the sensitivity axis parallel to the X axis. The invention does not change when the accelerometer 9 is installed on the internal platform. This accelerometer responds to the inclination of the X axis relative to the horizon plane. The accelerometer 9 and gyrotachometer 5 are involved in determining the angle ρ of the tilt of the object around the Z axis.
Кольцо 1 может поворачиваться относительно палубы (основания) объекта вокруг оси Y, ориентированной по нормали к палубе. На этой оси установлен моментный двигатель 10, управляемый через усилитель 11 сигналами датчика угла 3. Таким образом, моментные двигатели 7 и 10 осуществляют непрерывное автоматическое совмещение оси с направлением оси вращения ротора гироскопа. Ring 1 can be rotated relative to the deck (base) of the object around the Y axis, oriented normal to the deck. A torque motor 10 is installed on this axis, controlled through an amplifier 11 by the signals of the angle sensor 3. Thus, the torque motors 7 and 10 perform continuous automatic alignment of the axis with the direction of the axis of rotation of the gyro rotor.
На осях гиростабилизатора установлены вращающиеся трансформаторы - преобразователи 12 и 13, измерявшие углы поворота кольца 1 относительно палубы и внутренней платформы. Значения этих углов вместе с сигналами акселерометра 9 и гиротахометра 5 поступают на блок 14 выработки углов качек и курса объекта. В этом блоке по сигналам акселерометра 9 и гиротахометра 5 аналитическим способом вырабатывается значение угла r наклона объекта вокруг оси Z. Rotary transformers are installed on the axes of the gyrostabilizer - transformers 12 and 13, which measure the angles of rotation of the ring 1 relative to the deck and the inner platform. The values of these angles, together with the signals of the accelerometer 9 and gyrotachometer 5, are sent to the block 14 for generating the angles of quality and the course of the object. In this block, by the signals of the accelerometer 9 and gyrotachometer 5, the value of the tilt angle r of the object around the Z axis is analytically generated.
Оценка 
где: g ускорение свободного падения: 
where: g gravitational acceleration:
Таким образом, в блоке 14 решаются следующие зависимости:
здесь W передаточная функция фильтра, используемого для сглаживания величины.Thus, in block 14, the following dependencies are solved:
here W is the transfer function of the filter used to smooth the value.
Для упрощенной модификации заявленного устройства в его coстав может не входить гиротахометр 6. В этом случае значение угла ρ получают из выражения 
Значение угла ρ, а также углов Kп и f, измеряемых преобразователями 12 и 13 преобразуются в блоке 14 в углы, необходимые потребителю, например, в курс К и углы бортовой и килевой качек.The value of the angle ρ, as well as the angles K p and f measured by the transducers 12 and 13 are converted in block 14 into the angles necessary for the consumer, for example, in the course K and the angles of the side and keel qualities.
Таким образом, в блоке 14 решается задача преобразования информации из высотно-азимутальной системы координат, в систему координат, удобную потребителю. Выходная информация I5 поступает потребителю. Thus, in block 14, the problem of converting information from an altitude-azimuth coordinate system to a coordinate system convenient for the consumer is solved. The output of I5 goes to the consumer.
Чаще всего для решения задач навигации необходима информация о курсе К объекта в плоскости горизонта. Для этого в блоке 14 используются следующие аналитические зависимости, полученные из формулы сферической тригонометрии:
tge = -tgΦcosρ.
где К', ΔK, ρк и e промежуточные величины.Most often, to solve navigation problems, information is needed on the course K of the object in the horizon. For this, in block 14, the following analytical relationships are used, obtained from the formula for spherical trigonometry:
tge = -tgΦcosρ.
where K ', ΔK, ρ k and e are intermediate values.
Если преобразователи 12 и 13 являются синусно-косинусными, то при всей видимой громоздкости приведенных аналитических выражений их решение сводится к операциям умножения и суммирования, что может быть выполнено достаточно простой ЭВМ, входящей в блок 14. If the converters 12 and 13 are sine-cosine, then for all the apparent cumbersomeness of the given analytical expressions, their solution is reduced to the operations of multiplication and summation, which can be done by a fairly simple computer, which is included in block 14.
Исходные величины, поступающие в блок 14, однозначно определяют положение сиcтемы координат XYZ в пространстве при φ<90o и r<90o,и поэтому однозначно определяется К, а также углы качек объекта.The initial values entering block 14 uniquely determine the position of the XYZ coordinate system in space at φ <90 o and r <90 o , and therefore K is unambiguously determined, as well as the angles of the quality of the object.
Для управления гироскопом в состав устройства введен блок 16 управления прецессионым движением, на вход которого от акселерометра 6 поступает информация о наклоне оси Z относительно плоскости горизонта, а также по входу 17 внешняя информация о скорости и координатах объекта. На основании этой информации вырабатываются сигналы управления гироскопом в вертикальной и горизонтальных плоскостях. Но поскольку датчики момента 4 гироскопа 2 поворачиваются вместе с его корпусом относительно плоскости горизонта, то в блок 16 поступает значение угла r наклона оси X из блока 14, которое используется для приведения сигналов управления к координатам датчика момента. Для этого каждый из сигналов умножается на косинус упомянутого угла и к нему добавляется сигнал ортогональной координаты, умноженный на синус этого угла с соответствующим знаком. Сформированные таким образом сигналы управления из блока 16 поступают на датчики момента 4 гироскопа 2. To control the gyroscope, the device includes a precession motion control unit 16, the input of which from the accelerometer 6 receives information about the inclination of the Z axis relative to the horizon plane, as well as external information about the speed and coordinates of the object at input 17. Based on this information, gyroscope control signals are generated in the vertical and horizontal planes. But since the moment sensors 4 of the gyroscope 2 rotate together with its body relative to the horizon plane, then the block 16 receives the value of the angle r of the tilt of the X axis from block 14, which is used to bring the control signals to the coordinates of the moment sensor. To do this, each of the signals is multiplied by the cosine of the angle and an orthogonal coordinate signal is added to it, multiplied by the sine of this angle with the corresponding sign. The control signals generated in this way from block 16 are fed to the moment sensors 4 of the gyroscope 2.
Управление прецессионым движением гироскопа устройства для традиционной ориентации его оси осуществляется по алгоритмам, сходным алгоритмами управления известных однороторных гирокомпосов с внешней коррекцией. При других ориентациях соответствующим образом изменяются законы управления, в том числе в некоторых случаях последовательно с сигналом акселерометра 6 вводится сигнал, компенсирующий соответствующую для данного типа гирогоризонта компаса составляющую ускорения силы тяжести. Так, например, при ориентации оси Z параллельно оси вращения Земли, величина компенсирующего сигнала пропорциональна произведению ускорения силы тяжести на синус географической широты места объекта. The precession movement of the device’s gyroscope for the traditional orientation of its axis is controlled by algorithms similar to the control algorithms of known single-rotor gyrocomposes with external correction. For other orientations, the control laws change accordingly, including in some cases a signal is introduced sequentially with the signal of the accelerometer 6, which compensates the component of gravity acceleration corresponding to the compass gyrohorizon. So, for example, when the Z axis is parallel to the Earth's rotation axis, the value of the compensating signal is proportional to the product of the acceleration of gravity by the sine of the geographic latitude of the object.
С целью конструктивного упрощения гирогоризонткомпаса целесообразно использовать в нем вместо гироскопа 2 и акселерометров 6 и 9 один гироскоп-акселерометр с магнитным подвесом ротора. In order to constructively simplify the gyrohorizontal compass, it is advisable to use one gyroscope accelerometer with a magnetic rotor suspension instead of gyroscope 2 and accelerometers 6 and 9.
Такое исполнение гирогоризонткомпаса обеспечивает уменьшение его размеров, а также стоимости и целесообразно для построения среднего класса точности. Such a performance of the gyrohorizon compass provides a reduction in its size, as well as cost, and is appropriate for building a middle accuracy class.
Для визуального отображения курса объекта, измеренного в горизонтальной плоскости, в состав гирогоризонткомаса включается катушка, связанная с блоком 14. Наличие катушки-индикатора удобно для осуществления ручного управления курсом объекта. To visually display the course of the object, measured in the horizontal plane, the coil associated with block 14 is included in the gyrohorizontal model. The presence of the indicator coil is convenient for manually controlling the course of the object.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93051503A RU2062985C1 (en) | 1993-11-17 | 1993-11-17 | Gyro horizon compass for mobile object |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93051503A RU2062985C1 (en) | 1993-11-17 | 1993-11-17 | Gyro horizon compass for mobile object |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2062985C1 true RU2062985C1 (en) | 1996-06-27 |
| RU93051503A RU93051503A (en) | 1996-10-20 |
Family
ID=20149112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93051503A RU2062985C1 (en) | 1993-11-17 | 1993-11-17 | Gyro horizon compass for mobile object |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2062985C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2445984C2 (en) * | 2006-07-13 | 2012-03-27 | РИК ИНВЕСТМЕНТС, ЭлЭлСи | Ventilation system using synchronised positive and negative pressure ventilation supply |
| RU2571199C1 (en) * | 2014-10-27 | 2015-12-20 | Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт "Сигнал" (АО "ВНИИ "Сигнал") | Stabilised gyrocompass system |
| RU174186U1 (en) * | 2017-04-10 | 2017-10-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" | GYRO-COMPASS |
-
1993
- 1993-11-17 RU RU93051503A patent/RU2062985C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Патент РФ <186>2000541, кл. G O1 C 21/00, 1991. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2445984C2 (en) * | 2006-07-13 | 2012-03-27 | РИК ИНВЕСТМЕНТС, ЭлЭлСи | Ventilation system using synchronised positive and negative pressure ventilation supply |
| RU2571199C1 (en) * | 2014-10-27 | 2015-12-20 | Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт "Сигнал" (АО "ВНИИ "Сигнал") | Stabilised gyrocompass system |
| RU174186U1 (en) * | 2017-04-10 | 2017-10-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" | GYRO-COMPASS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US2914763A (en) | Doppler-inertial navigation data system | |
| US3509765A (en) | Inertial navigation system | |
| JPS5890212A (en) | Bearing reference and land navigation system | |
| US10514261B2 (en) | Gyromagnetic geopositioning system | |
| GB1579920A (en) | Gyroscope apparatus | |
| EP2638360B1 (en) | A system and method for north finding | |
| EP0986736B1 (en) | Inertial and magnetic sensors systems designed for measuring the heading angle with respect to the north terrestrial pole | |
| US4085440A (en) | Inertial navigation system | |
| US2936627A (en) | Vertical and velocity reference defining system | |
| RU2062985C1 (en) | Gyro horizon compass for mobile object | |
| JP2001141507A (en) | Inertial navigation system | |
| EP0392104A1 (en) | Inertial navigation system | |
| US5042156A (en) | Method and apparatus for reducing measurement errors in a navigation triad | |
| GB1576709A (en) | Gyrocompasses | |
| US2977806A (en) | Gyroscopic apparatus | |
| RU2176780C1 (en) | Method for determination of true course with the aid of two-channel gyroscopic angular-rate sensor | |
| RU2313067C2 (en) | Method of determination of flying vehicle navigational parameters and device for realization of this method | |
| Avrutov et al. | Strapdown Gyro Latitude Finder | |
| US3232103A (en) | Navigation system | |
| US3398586A (en) | Gyro monitor mechanization | |
| RU2130588C1 (en) | Method of measuring magnetic heading of mobile object | |
| US3310986A (en) | Three axis navigational apparatus | |
| GB2080972A (en) | Apparatus for Determining North Direction | |
| US3023617A (en) | Navigation apparatus | |
| US3214983A (en) | Attitude reference |