RU2601240C1

RU2601240C1 - Stabilized gyrocompass system

Info

Publication number: RU2601240C1
Application number: RU2015138043/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Алексеевич Буров; Сергей Иванович Филиппов; Владимир Николаевич Шашок
Original assignee: Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт "Сигнал" (АО "ВНИИ "Сигнал")
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2016-10-27

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: invention relates to systems of orientation and navigation of mobile objects. Stabilized gyrocompass system includes the first gyroscope, a rotary shaft, an actuating device, rotor of which is connected with the rotary shaft, and stator - with the stabilized gyrocompass system body, the first and second accelerometers, the second and third gyroscopes mounted on the stabilized gyrocompass system body, axes of which are mutually orthogonal, an onboard computer, which contains a unit for generating orientation angles, an actuating device control unit, a unit for calculation and error autocompensation of azimuth determination, a control device and a switch. Output of the first gyro is connected to the input of the unit for calculation and error autocompensation of azimuth determination, which is connected via the switch to output of the unit for generating orientation angles and the actuating device control unit output, output of the unit for calculation and error autocompensation of azimuth determination is connected to the unit for generating orientation angles of the onboard computer and the actuating device control unit, input of the unit for generating orientation angles is connected to the output of the actuating device control unit, input of the actuating device is connected to the output of the actuating device control unit, which is connected to the output of the onboard computer control device. Herewith provided are: higher accuracy of determining azimuth, higher reliability, longer life, simplified design, as well as reduced weight and dimensions of the stabilized gyrocompass system.

EFFECT: broader functional capabilities.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к системам ориентации и навигации подвижных объектов различного типа, в частности к гирогоризонткомпасам (ГГК), в которых используется измерительная информация, получаемая с датчиков угловых скоростей (ДУС) (волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) или ДУС иного типа) и с блока акселерометров.The invention relates to systems for the orientation and navigation of moving objects of various types, in particular to gyrohorizon compasses (GGK), which use measuring information obtained from angular velocity sensors (TLS) (fiber-optic gyroscopes (FOG) or TLS of a different type) and from a block accelerometers.

Известен ГГК с вращением инерциального измерительного модуля (патент РФ №2436046). ГГК содержит измерительный модуль, выполненный в виде триады волоконно-оптических гироскопов, триады акселерометров и бортового вычислителя, причем измерительные оси гироскопов и акселерометров взаимно ортогональны и параллельны друг другу. Для автокомпенсации инструментальных погрешностей чувствительных элементов предусмотрено модуляционное вращение измерительного модуля вокруг оси, перпендикулярной плоскости основания.Known GGC with the rotation of the inertial measuring module (RF patent No. 2436046). GGK contains a measuring module made in the form of a triad of fiber optic gyroscopes, a triad of accelerometers and an on-board computer, and the measuring axes of gyroscopes and accelerometers are mutually orthogonal and parallel to each other. To automatically compensate for the instrumental errors of the sensitive elements, modulation rotation of the measuring module around an axis perpendicular to the plane of the base is provided.

Недостатками известного ГГК по патенту №2436046 являются:The disadvantages of the known GGC patent No. 2436046 are:

- использование скользящего токоподвода неограниченного вращения для передачи информации из вращающегося измерительного модуля, что снижает надежность и уменьшает ресурс устройства;- the use of a sliding current supply of unlimited rotation for transmitting information from a rotating measuring module, which reduces reliability and reduces the resource of the device;

- использование трех ДУС одинаковой точности и трех акселерометров, что приводит к усложнению, увеличению массы и габаритов устройства; учитывая, что движение осуществляется по земной поверхности, в большинстве случаев на подвижном объекте отпадает потребность в акселерометре, измеряющем вертикальную составляющую ускорения;- the use of three DUSs of the same accuracy and three accelerometers, which leads to complication, increase in weight and dimensions of the device; Considering that the movement is carried out on the earth's surface, in most cases on a moving object there is no need for an accelerometer measuring the vertical component of acceleration;

- реализация непрерывного кругового вращения измерительного модуля, включающего триаду ВОГ одинаковой точности и триаду акселерометров, целиком, что в свою очередь приводит к усложнению, увеличению массы и габаритов устройства, снижению его надежности и ресурса за счет постоянной работы устройства вращения и увеличения нагрузки на опоры.- the implementation of continuous circular rotation of the measuring module, including the VOG triad of the same accuracy and the triad of accelerometers, in its entirety, which in turn leads to complication, an increase in the mass and dimensions of the device, a decrease in its reliability and resource due to the constant operation of the rotation device and an increase in the load on the supports.

Известный ГГК с вращением инерциального измерительного модуля (патент РФ №2550592) является наиболее близким к заявляемому ГГК и выбран в качестве прототипа. В ГГК по патенту РФ №2550592 снижены требования к точности горизонтальных ДУС, реализован разворот только одного высокоточного ДУС, уменьшен состав акселерометров, исключен скользящий токоподвод неограниченного вращения. ГГК содержит первый гироскоп, установленный на вращающемся валу, причем с вращающимся валом связано электромеханическое исполнительное устройство, первый и второй акселерометры, второй и третий гироскопы, оси которых взаимно ортогональны, бортовой вычислитель, причем входы бортового вычислителя соединены с выходами гироскопов и акселерометров. Бортовой вычислитель содержит блок выработки параметров ориентации, блок вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута, управляющее устройство.Known GGC with rotation of an inertial measuring module (RF patent No. 2550592) is the closest to the claimed GGC and is selected as a prototype. In GGK according to the patent of the Russian Federation No. 2550592, the requirements for the accuracy of horizontal TLSs are reduced, only one high-precision TLS turnaround is implemented, the composition of accelerometers is reduced, the sliding current supply of unlimited rotation is excluded. GGK contains the first gyroscope mounted on a rotating shaft, and an electromechanical actuator, first and second accelerometers, a second and third gyroscopes, the axes of which are mutually orthogonal, an onboard calculator, the inputs of the onboard calculator connected to the outputs of the gyroscopes and accelerometers connected to the rotating shaft. The on-board computer contains a unit for generating orientation parameters, a unit for calculating and automatically compensating for azimuth determination errors, and a control device.

Недостатками известного ГГК по патенту №2550592 являются:The disadvantages of the known GGC patent No. 2550592 are:

- наличие двух рам подвеса и двух исполнительных устройств, что приводит к усложнению, снижению надежности, увеличению массы и габаритов устройства;- the presence of two suspension frames and two actuators, which leads to complication, lower reliability, increased weight and dimensions of the device;

- требование жесткой фиксации или стабильного положения устройства по курсу на момент начальной выставки (гирокомпасирования) в виду отсутствия в процессе гирокомпасирования информации об угловых движениях объекта в азимуте.- the requirement of rigid fixation or stable position of the device at the heading at the time of the initial exhibition (gyrocompassing) due to the lack of information about the angular movements of the object in azimuth during gyrocompassing.

Техническими задачами, на которые направлено заявляемое изобретение, являются повышение точности определения азимута при применении в качестве одного из горизонтальных гироскопов ДУС низкой точности путем обеспечения измерения азимута другим горизонтальным высокоточным гироскопом с автокомпенсацией его ошибок за счет его фиксированных поворотов, повышение надежности, упрощение конструкции, а также снижение массы и габаритов и увеличение ресурса путем исключения из состава устройства одной из рам подвеса и одного исполнительного устройства, повышение точности определения азимута при угловых движениях объекта в азимуте за счет жесткого закрепления и использования информации с вертикально ориентированного гироскопа.The technical problems to which the claimed invention is directed are to increase the accuracy of determining the azimuth when using one of the horizontal gyroscopes of the DOS of low accuracy by providing azimuth measurement by another horizontal high-precision gyroscope with automatic compensation of its errors due to its fixed rotations, increasing reliability, simplifying the design, and also reducing the weight and dimensions and increasing the resource by excluding from the structure of the device one of the suspension frames and one executive construction, improving the accuracy of determining the azimuth during angular movements of the object in azimuth due to the rigid fixing and use of information from a vertically oriented gyroscope.

Поставленная техническая задача решается тем, что в гирогоризонткомпасе, включающем установленный на вращающемся валу первый гироскоп, ось чувствительности которого перпендикулярна оси вращающегося вала, исполнительное устройство, ротор которого связан с вращающимся валом, первый и второй акселерометры, второй и третий гироскопы, установленные в корпусе гирогоризонткомпаса, оси чувствительности первого и второго акселерометров параллельны основанию гирогоризонткомпаса и взаимно ортогональны, ось чувствительности третьего гироскопа параллельна основанию гирогоризонткомпаса, бортовой вычислитель, содержащий блок выработки углов ориентации, блок вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута, блок управления исполнительным устройством и управляющее устройство, причем входы бортового вычислителя, являющиеся первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами блока выработки углов ориентации, соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего гироскопов и выходами первого и второго акселерометров, выход первого гироскопа дополнительно соединен с первым входом блока вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута, выход которого соединен с шестым входом блока выработки углов ориентации и с первым входом блока управления исполнительным устройством, первый выход которого соединен с третьим входом блока вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута, седьмой вход блока выработки углов ориентации соединен со вторым выходом блока управления исполнительным устройством, третий выход которого соединен с входом исполнительного устройства, а второй вход блока управления исполнительным устройством соединен с выходом управляющего устройства, в состав бортового вычислителя введен коммутатор, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока выработки углов ориентации, третий вход соединен с четвертым дополнительным выходом блока управления исполнительным устройством, выход коммутатора соединен со вторым входом блока вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута, четвертый дополнительный вход которого соединен с третьим дополнительным выходом блока выработки углов ориентации, при этом с корпусом гирогоризонткомпаса связаны статор исполнительного устройства и вращающийся вал, установленный перпендикулярно основанию гирогоризонткомпаса, а второй гироскоп установлен в корпусе гирогоризонткомпаса осью чувствительности перпендикулярно его основанию.The stated technical problem is solved in that in a gyrohorizontal compass including a first gyroscope mounted on a rotating shaft, the sensitivity axis of which is perpendicular to the axis of the rotating shaft, an actuator whose rotor is connected to the rotating shaft, the first and second accelerometers, the second and third gyroscopes installed in the gyrohorizontal compass case , the sensitivity axes of the first and second accelerometers are parallel to the base of the gyrohorizontcompass and mutually orthogonal, the sensitivity axis of the third gyroscope pa parallel to the base of the gyrohorizon compass, an on-board calculator containing a block for generating orientation angles, a block for calculating and automatically compensating for azimuth errors, an actuator control unit and a control device, the inputs of the on-board calculator being the first, second, third, fourth and fifth inputs of the block of generating orientation angles are connected respectively to the outputs of the first, second and third gyroscopes and the outputs of the first and second accelerometers, the output of the first gyroscope is optional but it is connected to the first input of the calculation and automatic compensation unit of the azimuth determination error, the output of which is connected to the sixth input of the orientation angle generating unit and to the first input of the actuator control unit, the first output of which is connected to the third input of the azimuth determination and automatic compensation unit, the seventh input of the block generating orientation angles is connected to the second output of the actuator control unit, the third output of which is connected to the input of the actuator, and the second input of the actuator control unit is connected to the output of the control device, a switch is introduced into the on-board computer, the first and second inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the orientation angle generating unit, the third input is connected to the fourth additional output of the actuator control unit, the output of the switch connected to the second input of the calculation and auto-compensation unit of the error in determining the azimuth, the fourth additional input of which is connected to an additional output of the unit for generating orientation angles, while an actuator stator and a rotating shaft mounted perpendicular to the base of the gyrohorizontcompass are connected to the housing of the gyrohorizontal compass, and the second gyroscope is installed in the gyrohorizontcompass case with a sensitivity axis perpendicular to its base.

В предлагаемом устройстве блок выработки углов ориентации выполняет функции блока выработки параметров ориентации, блока преобразования кажущихся ускорений, блока выработки параметров поступательного движения, блока построения вертикали прототипа и в частной реализации содержит указанные блоки, причем входы блока выработки параметров ориентации, соединенные с первым, вторым и третьим входами блока выработки углов ориентации, являются входами для сигналов первого, второго и третьего гироскопов соответственно, входы блока преобразования кажущихся ускорений, соединенные с четвертым и пятым входами блока выработки углов ориентации, - соответственно входами для сигналов первого и второго акселерометров, первый дополнительный вход блока выработки параметров ориентации, соединенный с шестым входом блока выработки углов ориентации, является входом для сигнала с выхода блока вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута, второй дополнительный вход блока выработки параметров ориентации, соединенный с седьмым входом блока выработки углов ориентации, является входом для сигнала со второго выхода блока управления исполнительным устройством, первый и второй выходы блока выработки параметров ориентации, на которые соответственно подаются сигналы о продольном и поперечном наклонах, являются соответственно первым и вторым выходами блока выработки углов ориентации для подключения к первому и второму входам коммутатора, выход блока выработки параметров ориентации, на который подается сигнал о курсе, является третьим выходом блока выработки углов ориентации для подключения к четвертому входу блока вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута.In the proposed device, the unit for generating orientation angles performs the functions of a unit for generating orientation parameters, a unit for transforming apparent accelerations, a unit for generating translational motion parameters, a vertical construction block for the prototype, and in a private implementation it contains said blocks, the inputs of the unit for generating orientation parameters connected to the first, second and the third inputs of the block generating orientation angles are the inputs for the signals of the first, second and third gyroscopes, respectively, the inputs of the block transform of apparent accelerations connected to the fourth and fifth inputs of the block generating the orientation angles, respectively, the inputs for the signals of the first and second accelerometers, the first additional input of the block generating the orientation parameters, connected to the sixth input of the block generating the orientation angles, is the input for the signal from the output of the calculation unit and auto-compensation of the error in determining the azimuth, the second additional input of the block generating orientation parameters, connected to the seventh input of the block generating orientation angles, is the input for the signal from the second output of the actuator control unit, the first and second outputs of the orientation parameter generation unit, to which the longitudinal and transverse slope signals are respectively supplied, are respectively the first and second outputs of the orientation angle generation unit for connection to the first and second inputs of the switch , the output of the block generating the orientation parameters, to which the signal is sent, is the third output of the block generating the orientation angles for connecting to the fourth input Ode to the unit for calculating and automatically compensating for azimuth determination errors.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:The invention is illustrated by drawings, in which:

фиг. 1 - схема предлагаемого ГГК;FIG. 1 is a diagram of the proposed GGC;

фиг. 2 - схема бортового вычислителя;FIG. 2 is a diagram of an on-board computer;

фиг. 3 - частная реализация и состав блока выработки углов ориентации бортового вычислителя.FIG. 3 - private implementation and composition of the block generating angles of orientation of the on-board computer.

ГГК (фиг. 1) устроен следующим образом. На вращающемся валу закреплен первый (высокоточный) гироскоп 1, параметры которого выбраны исходя из заданной точности начального ориентирования. Первый гироскоп 1 установлен таким образом, что его ось чувствительности перпендикулярна оси вращающегося вала. На оси вращающегося вала установлено исполнительное устройство 2. Ротор исполнительного устройства (электромагнита) 2 связан с вращающимся валом, а статор исполнительного устройства 2 закреплен на корпусе ГГК. Первый гироскоп 1 поворачивается в диапазоне углов ±180° относительно корпуса ГГК вокруг вертикальной оси и подключен к бортовому вычислителю 3 с помощью гибкого токоподвода. В корпусе ГГК установлены первый и второй акселерометры 4 и 5, а так же второй (средней точности) 6, параметры которого выбраны исходя из заданной точности хранения направления, и третий (низкоточный) 7, параметры которого выбраны исходя из заданной точности определения угла наклона, гироскопы. Ось чувствительности второго гироскопа 6 расположена перпендикулярно основанию ГГК, а ось чувствительности третьего гироскопа 7 - параллельно основанию ГГК. Оси чувствительности первого и второго акселерометров 4 и 5 находятся в плоскости основания ГГК, ось чувствительности третьего (низкоточного) гироскопа 7 и второго акселерометра 5 расположены по направлению продольной оси ГГК, совпадающей с продольной осью наземного подвижного объекта, а ось чувствительности первого (высокоточного) гироскопа 1 в режиме хранения направления и первого акселерометра 4 - по направлению поперечной оси ГГК. Сигналы: ω_х - от первого гироскопа 1, ω_z, ω_y - от второго 6 и третьего 7 гироскопов, а _х, a _y - от первого 4 и второго 5 акселерометров, поступают в бортовой вычислитель 3. Сигнал управления U_z из бортового вычислителя 3 поступает на исполнительное устройство 2. В бортовом вычислителе 3 сигналы ω_х, ω_y, ω_z, а _х, a _y поступают на входы 1. 3, 2, 4, 5 блока выработки углов ориентации 8 (фиг. 2). Сигнал ω_x первого гироскопа 1 дополнительно поступает на первый вход блока вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9, с выхода которого вычисленный угол азимута α_Kпр или α_K передается в блок выработки углов ориентации 8, а также в блок управления исполнительным устройством 10. Кроме блока выработки углов ориентации 8 и блока управления исполнительным устройством 10 бортовой вычислитель 3 содержит управляющее устройство 11 и коммутатор 12. Сигналы о режиме работы ГГК, вырабатываемые управляющим устройством 11, поступают в блок управления исполнительным устройством 10, который в свою очередь связан с блоком вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9 по сигналу k₂, с блоком выработки углов ориентации 8 по сигналу k₁, с исполнительным устройством 2, а также с коммутатором 12 по сигналу k₃. Из блока выработки углов ориентации 8 после коммутатора 12 сигнал либо о продольном θ, либо о поперечном ψ наклоне ГГК, а также сигнал о курсе К с выхода блока выработки углов ориентации 8, поступают в блок вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9.GGC (Fig. 1) is arranged as follows. The first (high-precision) gyroscope 1 is fixed on a rotating shaft, the parameters of which are selected on the basis of a given accuracy of the initial orientation. The first gyroscope 1 is installed in such a way that its axis of sensitivity is perpendicular to the axis of the rotating shaft. An actuator 2 is installed on the axis of the rotating shaft. The rotor of the actuator (electromagnet) 2 is connected to the rotating shaft, and the stator of the actuator 2 is mounted on the housing of the GGC. The first gyroscope 1 rotates in a range of angles of ± 180 ° relative to the body of the GGC around a vertical axis and is connected to the on-board calculator 3 using a flexible current supply. The first and second accelerometers 4 and 5, as well as the second (medium accuracy) 6, the parameters of which are selected based on the specified accuracy of storing the direction, and the third (low-current) 7, the parameters of which are selected based on the specified accuracy of determining the angle of inclination, are installed in the GGC housing gyroscopes. The sensitivity axis of the second gyroscope 6 is perpendicular to the base of the GGC, and the sensitivity axis of the third gyroscope 7 is parallel to the base of the GGC. The sensitivity axes of the first and second accelerometers 4 and 5 are located in the GHC base plane, the sensitivity axis of the third (low-current) gyroscope 7 and the second accelerometer 5 are located in the direction of the GGC longitudinal axis, which coincides with the longitudinal axis of the ground moving object, and the sensitivity axis of the first (high-precision) gyroscope 1 in the storage mode of the direction and the first accelerometer 4 - in the direction of the transverse axis of the GGC. Signals: ω _x - from the first gyroscope 1, ω _z , ω _y - from the second 6 and third 7 gyroscopes, and _x , a _y - from the first 4 and second 5 accelerometers, enter the on-board computer 3. Control signal U _z from the on-board calculator 3 is supplied to the actuator 2. In the on-board calculator 3 signals ω _x, ω _y, ω _z, a _x, a _y to the inputs 3 1, 2, 4, 5, the block generating orientation angles 8 (FIG. 2). The signal ω _{x of the} first gyroscope 1 is additionally fed to the first input of the calculation and auto-compensation block for the error in determining the azimuth 9, from the output of which the calculated azimuth angle α _Kpr or α _K is transmitted to the block generating the orientation angles 8, as well as to the control unit of the actuator 10. In addition to the block the development of orientation angles 8 and the control unit of the actuator 10, the on-board computer 3 contains a control device 11 and a switch 12. The signals about the operation mode of the GGC generated by the control device 11 are received the control unit for the actuator 10, which in turn is connected with the unit for calculating and automatically compensating for the error in determining the azimuth 9 from the signal k ₂ , with the block generating the orientation angles 8 from the signal k ₁ , with the actuator 2, and also with the switch 12 according to the signal k ₃ . From the block generating the orientation angles 8 after the switch 12, the signal about either the longitudinal θ or the transverse ψ inclination of the GGC, as well as the signal about the course K from the output of the block generating the angles of orientation 8, enter the block for calculating and automatically compensating for the error in determining the azimuth 9.

ГКК функционирует следующим образом.GKK operates as follows.

В режиме гирокомпасирования сигнал Режим на выходе управляющего устройства 11 бортового вычислителя 3 устанавливается в состояние «Гирокомпас», по которому блок управления исполнительным устройством 10 переключается на работу в режиме определения азимута (начального ориентирования). С помощью блока управления исполнительным устройством 10 выполняется операция определения варианта ориентирования измерительной оси первого гироскопа 1 относительно направления меридиана. Для этого по сигналу управления U_z исполнительное устройство 2 осуществляет фиксированные повороты вращающегося вала. В результате ось чувствительности первого гироскопа 1 устанавливается таким образом, чтобы она располагалась вдоль поперечной оси ГГК (ось X) и фиксируется в этом положении. От блока управления исполнительным устройством 10 в блок выработки углов ориентации 8 поступает сигнал управления k₁, по которому информация о курсе К, вырабатываемая блоком выработки углов ориентации 8 «замораживается» (имитируется стоянка подвижного объекта), а по сигналу k₂ в блоке вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9 производится предварительное измерение угла азимута α_Kпр соответствии с выражением:In the gyrocompassing mode, the Mode signal at the output of the control device 11 of the on-board calculator 3 is set to the gyrocompass state, by which the control unit of the executive device 10 switches to work in the azimuth determination mode (initial orientation). Using the control unit of the actuator 10, the operation of determining the orientation of the measuring axis of the first gyroscope 1 relative to the direction of the meridian is performed. To do this, according to the control signal U _{z, the} actuator 2 carries out fixed rotations of the rotating shaft. As a result, the sensitivity axis of the first gyroscope 1 is set so that it is located along the transverse axis of the GGC (X axis) and is fixed in this position. From the control unit of the actuating device 10, the control signal k ₁ is received in the block for generating orientation angles 8, according to which the information about the course K generated by the block for generating orientation angles 8 is “frozen” (the parking of the moving object is simulated), and according to the signal k ₂ in the calculation block and the automatic compensation of the error in determining the azimuth 9 is a preliminary measurement of the azimuth angle α _{Kpr in} accordance with the expression:

где ω_хо - значение угловой скорости, измеренное первым гироскопом 1 в плоскости основания ГГК, Ω_З - угловая скорость вращения Земли; φ - широта места, θ_пг - угол наклона в плоскости оси чувствительности первого гироскопа 1. В качестве угла наклона θ_пг в плоскости оси чувствительности первого гироскопа 1 по сигналу k₃ от блока управления исполнительным устройством 10 в коммутаторе 12 выбирается угол ψ (поперечный угол наклона объекта). Сигнал θ_пг с выхода коммутатора 12 передается в блок вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9 для выполнения измерений (1).where ω _xo is the value of the angular velocity measured by the first gyroscope 1 in the plane of the GGC base, Ω ₃ is the angular velocity of the Earth's rotation; φ - latitude, θ _m - slope angle of the first axis in the plane sensitivity of the gyroscope 1. As the inclination angle θ _m in the axis of the first gyroscope sensitivity plane 1 on signal k from the control unit ₃ actuating device 10 in the switch 12 selects the angle ψ (cross angle tilt of the object). The signal θ _PG from the output of the switch 12 is transmitted to the unit for calculating and automatically compensating for the error in determining the azimuth 9 for performing measurements (1).

Начальное положение оси чувствительности первого гироскопа 1 для вычисления выражения (1) может быть любым (вдоль положительного или отрицательного направления оси X или Y), при этом в качестве угла наклона θ_пг в зависимости от положения оси чувствительности первого гироскопа 1 с помощью коммутатора 12 выбирается угол килевой θ (продольный угол наклона) или угол бортовой ψ качки (поперечный угол наклона), а дополнительный угол поворота оси чувствительности в плоскости основания ГГК учитывается в выражении (1) как добавка, кратная 90°.The initial position of the sensitivity axis of the first gyroscope 1 for calculating expression (1) can be any (along the positive or negative direction of the X or Y axis), while the angle of inclination θ _pg depending on the position of the sensitivity axis of the first gyroscope 1 using switch 12 is selected keel angle θ (longitudinal angle of inclination) or roll angle ψ (lateral angle of inclination), and the additional angle of rotation of the sensitivity axis in the plane of the GGC base is taken into account in expression (1) as an additive multiple of 90 °.

Далее по условию близости продольной или поперечной осей ГГК к вычисленному направлению α_Kпр вектора угловой скорости вращения Земли в блоке управления исполнительным устройством 10 выбираются положения оси чувствительности первого гироскопа 1 (вдоль продольной X или поперечной Y осей ГКК) для точного измерения азимута. Первый гироскоп 1 переводится в соответствующее положение в плоскости основания ГГК путем фиксированных разворотов на углы ±90° от исходного положения оси чувствительности и фиксации в указанных положениях вращающегося вала исполнительным устройством 2.Further, by the condition that the longitudinal or transverse axes of the GGC are close to the calculated direction α _Kpr of the angular velocity vector of the Earth in the actuator control unit 10, the positions of the sensitivity axis of the first gyroscope 1 (along the longitudinal X or transverse Y axes of the GCC) are selected for accurate azimuth measurements. The first gyroscope 1 is translated into the corresponding position in the plane of the GGC base by fixed turns at angles of ± 90 ° from the initial position of the sensitivity axis and fixing in the indicated positions of the rotating shaft by the actuator 2.

В соответствии с выражением (1) проводятся первый и второй замеры угла азимута, в положениях, отстоящих друг от друга в плоскости основания объекта на 180°, при этом с помощью коммутатора 12 выбираются соответственно угол θ или угол ψ в качестве параметра θ_пг. Значения углов θ или ψ определяются соответственно по сигналам a _y или a _x второго 5 или первого 4 акселерометров в блоке выработки углов ориентации 8 в соответствии с алгоритмами прототипа.In accordance with expression (1), the first and second measurements of the azimuth angle are carried out in positions that are 180 ° apart from each other in the plane of the base of the object, with the help of the switch 12 choosing the angle θ or the angle ψ as the parameter θ _pg , respectively. The values of the angles θ or ψ are determined respectively by the signals a _y or a _{x of the} second 5 or first 4 accelerometers in the block generating angles of orientation 8 in accordance with the algorithms of the prototype.

При выполнении замеров в режиме гирокомпасирования возможные колебания объекта по трем осям фиксируются с помощью первого и второго акселерометров 4, 5, первого 1, второго 6 и третьего 7 гироскопов. Информация о колебаниях объекта (курс К, углы килевой θ и бортовой ψ качки), поступает в блок вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9, где с использованием указанной информации дополнительно осуществляется компенсация погрешности определения азимута, обусловленная колебаниями объекта.When performing measurements in gyrocompassing mode, possible object vibrations along three axes are recorded using the first and second accelerometers 4, 5, the first 1, second 6 and third 7 gyroscopes. Information about the object’s vibrations (course K, pitch θ and pitch ψ angles of the pitch) is sent to the calculation and automatic compensation unit for the azimuth determination error 9, where the information is used to compensate for the azimuth determination error due to object vibrations.

Замеры, при которых ориентация оси чувствительности первого гироскопа 1 отличается на 180°, по сигналам k₂, поступающим от блока управления исполнительным устройством 10, обрабатываются в блоке вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9 бортового вычислителя 3. В двух противоположных положениях горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли одинакова по модулю и различается по знаку, а систематический дрейф нуля гироскопа (датчика угловой скорости) неизменен как по модулю, так и по знаку, в результате при арифметическом вычитании одного показания гироскопа из другого горизонтальная составляющая скорости вращения Земли удваивается, а дрейф нуля обнуляется. Результирующее значение угла азимута α_K определяется по формулеMeasurements, in which the orientation of the sensitivity axis of the first gyroscope 1 differs by 180 °, according to the signals k ₂ received from the control unit of the actuator 10, are processed in the block for calculating and automatically compensating for the error in determining the azimuth 9 of the on-board computer 3. In two opposite positions, the horizontal component of the angular velocity Earth's rotation is identical in magnitude and different in sign, and the systematic zero drift of the gyroscope (angular velocity sensor) is unchanged both in magnitude and in sign, as a result at rifmeticheskom subtracting one from the other readings of the gyroscope horizontal component of the Earth's rotation speed is doubled, and the drift of the zero reset. The resulting azimuth angle α _K is determined by the formula

где α_K1, α_K2 - значения курса в первом и втором замерах.where α _K1 , α _K2 are the course values in the first and second measurements.

Полученное значение угла азимута α_K объекта инвариантно относительно изменения дрейфа нуля первого гироскопа 1, чем достигается увеличение точности начального ориентирования.The obtained value of the azimuth angle α _{K of the} object is invariant with respect to the change in the zero drift of the first gyroscope 1, thereby achieving an increase in the accuracy of the initial orientation.

В результате применения фиксированных разворотов на углы ±90° от исходного положения оси чувствительности в диапазоне углов ±180°, при автокомпенсации погрешности исключаются неограниченные круговые вращения средства измерения (первого гироскопа 1), что исключает необходимость применения скользящего токоподвода кругового вращения.As a result of using fixed turns at angles of ± 90 ° from the initial position of the sensitivity axis in the range of angles of ± 180 °, with automatic compensation of the error, unlimited circular rotation of the measuring instrument (first gyroscope 1) is excluded, which eliminates the need for a sliding circular current supply.

При работе ГГК в режиме хранения направления сигнал Режим от управляющего устройства 11 бортового вычислителя 3, устанавливается в состояние «Гироазимут», блок управления исполнительным устройством 10 переключается на работу в режиме хранения направления. По сигналам блока управления исполнительным устройством 10 с помощью исполнительного устройства 2 ось чувствительности первого гироскопа 1 ориентируется вдоль поперечной оси ГГК (ось X) и фиксируется в этом положении. По сигналу от блока управления исполнительным устройством 10 значение угла курса α_K (2) из блока вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9 поступает в блок выработки углов ориентации 8, где осуществляется «привязка» вырабатываемого угла курса К к измеренному углу азимута α_K, при этом сигнал k₁, передаваемый от блока управления исполнительным устройством 10 в блок выработки параметров ориентации 8, устанавливается в состояние, разрешающее выработку параметра ориентации подвижного объекта по углу курса K с использованием информации первого 1, второго 6 и третьего 7 гироскопов. Угол курса К и углы наклона θ и ψ объекта определяются по известным выражениям алгоритмов работы БИНС [Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В.В. Матвеев, В.Я. Распопов / Под общ. ред. д.т.н. В.Я. Распопова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009] (без вертикального канала) в бортовом вычислителе 3 по сигналам об угловой скорости ω_х, ω_y, ω_z, и ускорений а _х, a _y объекта. В виду того, что углы наклона наземного подвижного объекта ограничены, дополнительная ошибка при выработке угла курса К из-за отсутствия третьего акселерометра и применения в горизонтальном канале низкоточного гироскопа при движении носит незначительный характер.When the GGC in the direction storage mode, the Mode signal from the control device 11 of the on-board computer 3 is set to the “Gyroazimuth” state, the control unit of the executive device 10 switches to operation in the direction storage mode. According to the signals of the control unit of the actuator 10 using the actuator 2, the sensitivity axis of the first gyroscope 1 is oriented along the transverse axis of the GGC (X axis) and is fixed in this position. According to the signal from the actuator control unit 10, the value of the course angle α _K (2) from the calculation and automatic compensation unit for the azimuth determination error 9 enters the unit for generating orientation angles 8, where the generated course angle K is “linked” to the measured azimuth angle α _K , when this signal k ₁ transmitted from the control unit 10 in the actuator unit 8 generating orientation parameter is set in a state permitting the production of the orientation parameter of the mobile object by angle rate using K m information 1 first, second 6 and third 7 gyroscopes. The course angle K and the tilt angles θ and ψ of the object are determined by the well-known expressions of the SINS operation algorithms [Fundamentals of the construction of strapdown inertial navigation systems / V.V. Matveev, V.Ya. Raspopov / Under the general. ed. Doctor of Technical Sciences V.Ya. Raspopova. - St. Petersburg: State Research Center of the Russian Federation OJSC Concern TsNII Elektropribor, 2009] (without vertical channel) in trip computer 3 based on signals about the angular velocity ω _x , ω _y , ω _z , and accelerations a _x , a _{y of the} object. In view of the fact that the angles of inclination of the ground moving object are limited, the additional error in developing the heading angle K due to the absence of a third accelerometer and the use of a low-current gyroscope in the horizontal channel during movement is insignificant.

При этом применение вместо трех однотипных высокоточных гироскопов, гироскопов, параметры которых выбираются исходя из основной выполняемой в составе ГГК в режиме гирокомпасирования (на стоянке) и в режиме хранения направления (в движении) функции, является фактором снижения стоимости и размеров устройства при сохранении точности его работы.In this case, the use of instead of three of the same type of high-precision gyroscopes, gyroscopes, the parameters of which are selected on the basis of the main functions performed in the GGC in the gyrocompassing mode (stationary) and in the storage mode of the direction (moving), is a factor in reducing the cost and size of the device while maintaining its accuracy work.

Учитывая, что движение наземного подвижного объекта осуществляется по земной поверхности при условии, что максимальные углы наклонов ограничены, отпадает потребность в акселерометре, измеряющем вертикальную составляющую ускорения. При этом дополнительные погрешности определения углов наклонов θ и ψ при ограничении максимальных углов наклонов также ограничены.Given that the movement of a ground moving object is carried out on the earth's surface, provided that the maximum tilt angles are limited, there is no need for an accelerometer measuring the vertical component of acceleration. In this case, additional errors in determining the slope angles θ and ψ while limiting the maximum slope angles are also limited.

В предлагаемом ГГК в качестве первого гироскопа 1 может быть применен высокоточный ВОГ или кольцевой лазерный гироскоп, в качестве второго гироскопа 6 - ВОГ средней точности, твердотельный волновой гироскоп, в качестве третьего гироскопа 7 - микромеханический гироскоп, малогабаритные низкоточные ВОГ или твердотельный волновой гироскоп, в качестве акселерометров 4, 5 - механические маятниковые, на базе микроэлектромеханической системы (МЭМС) и другие типы акселерометров. Функции исполнительного устройства (электромагнита) 2 могут выполнять электромеханические устройства, обеспечивающие фиксированные повороты исполнительной оси в положения, кратные 90° относительно исходного положения. Бортовой вычислитель 3 может представлять собой устройство на базе микропроцессора или микроконтроллера с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП), если первый, второй и третий гироскопы 1, 6, 7, первый и второй акселерометры 4, 5, исполнительное устройство 2 работают с аналоговыми сигналами. Блок выработки углов ориентации 8, блок вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9, блок управления исполнительным устройством 10, управляющее устройство 11 и коммутатор 12 представляют собой арифметико-логические и программные устройства, выполненные на базе микропроцессора или микроконтроллера.In the proposed GHC, as the first gyroscope 1, a high-precision FOG or a ring laser gyroscope can be used, as the second gyroscope 6 - medium-precision FOG, solid-state wave gyroscope, as the third gyroscope 7 - micromechanical gyroscope, small-sized low-current FOG or solid-state wave gyroscope, in As accelerometers 4, 5 - mechanical pendulum based on the microelectromechanical system (MEMS) and other types of accelerometers. The functions of the actuator (electromagnet) 2 can be performed by electromechanical devices that provide fixed rotations of the actuator axis to positions that are multiples of 90 ° relative to the initial position. The on-board computer 3 can be a device based on a microprocessor or microcontroller with analog-to-digital converters (ADC) and digital-to-analog converters (DAC), if the first, second and third gyroscopes 1, 6, 7, the first and second accelerometers 4, 5, and the actuator 2 work with analog signals. The unit for generating orientation angles 8, the unit for calculating and automatically compensating for the error in determining the azimuth 9, the control unit for the actuator 10, the control unit 11, and the switch 12 are arithmetic-logic and software devices based on a microprocessor or microcontroller.

В частной реализации блок выработки углов ориентации 8 ГГК содержит (фиг. 3): блок выработки параметров ориентации 13, блок преобразования кажущихся ускорений 14, блок выработки параметров поступательного движения 15, блок построения вертикали 16, причем входы блока выработки параметров ориентации 13, соединенные с первым, вторым и третьим входами блока выработки углов ориентации 8, являются входами для сигналов первого 1, второго 6 и третьего 7 гироскопов, входы блока преобразования кажущихся ускорений 14, соединенные с четвертым и пятым входами блока выработки углов ориентации 8, - входами для сигналов первого и второго акселерометров 4, 5, первый дополнительный вход блока выработки параметров ориентации 13, соединенный с шестым входом блока выработки углов ориентации 8, является входом для сигнала с выхода блока вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9, второй дополнительный вход блока выработки параметров ориентации 13, соединенный с седьмым входом блока выработки углов ориентации 8, является входом для сигнала со второго выхода блока управления первым гироскопом 10, выход блока выработки параметров ориентации 13, на который подаются сигналы о продольном и поперечном наклонах θ и ψ, соединен с первым выходом блока выработки углов ориентации 8 для подключения к первому входу коммутатора 12, выход блока выработки параметров ориентации 13, на который подается сигнал о курсе К, соединен со вторым выходом блока выработки углов ориентации 8 для подключения к четвертому входу блока вычисления и автокомпенсации погрешности определения азимута 9, причем a _E, a _N a _h - линейные ускорения объекта в проекции на оси географической системы координат,

- матрица перехода от связанной с прибором системы координат к географической системе координат, V_E, V_N, V_h - линейные скорости объекта в проекции на оси географической системы координат, α, β - погрешности построения вертикали места; φ, λ - координаты места, вырабатываемые прибором.In a private implementation, the GCG orientation angle generation block 8 contains (Fig. 3): an orientation parameter generation block 13, an apparent acceleration transformation block 14, a translational motion parameter generation block 15, a vertical construction block 16, and the inputs of the orientation parameter generation block 13 connected to the first, second and third inputs of the unit for generating orientation angles 8 are inputs for the signals of the first 1, second 6 and third 7 gyroscopes, the inputs of the apparent acceleration conversion unit 14, connected to the fourth and fifth inputs lok of generating orientation angles 8, - inputs for signals of the first and second accelerometers 4, 5, the first additional input of the block of generating orientation parameters 13, connected to the sixth input of the block of generating orientation angles 8, is the input for the signal from the output of the calculation and automatic compensation unit of the azimuth determination error 9, the second additional input of the orientation generation unit 13, connected to the seventh input of the orientation generation unit 8, is an input for the signal from the second output of the control unit by the first gyro cop 10, the output of the block generating the orientation parameters 13, which receives signals about the longitudinal and transverse slopes θ and ψ, is connected to the first output of the block generating the angles of orientation 8 for connecting to the first input of the switch 12, the output of the block generating the orientation parameters 13, to which to date signal, is connected to the second output block produce orientation angles 8 for connection to a fourth input of the calculation unit and the error in determining the azimuth autocompensation 9, wherein a _E, a _N a _h - linear accelerations of the object on a projection of the and a geographic coordinate system,

- the matrix of the transition from the coordinate system associated with the device to the geographical coordinate system, V _E , V _N , V _h are the linear velocities of the object in the projection on the axis of the geographical coordinate system, α, β are the errors in constructing the vertical of the place; φ, λ - location coordinates generated by the device.

В целом, благодаря предложенной кинематической схеме, набору чувствительных элементов, микропроцессорному устройству и силовому исполнительному элементу (электромагниту) предлагаемым устройством обеспечиваются:In general, thanks to the proposed kinematic scheme, a set of sensitive elements, a microprocessor device and a power actuator (electromagnet), the proposed device provides:

- повышение точности измерения азимута путем использования высокоточного гироскопа с компенсацией систематической составляющей ошибки (ось чувствительности которого при измерениях ориентируется в плоскости основания ГГК в различных положениях);- improving the accuracy of azimuth measurements by using a high-precision gyroscope with compensation for the systematic component of the error (the sensitivity axis of which during measurements is oriented in the plane of the GGC base in various positions);

- возможность компенсации погрешности самоориентирования, обусловленной колебаниями объекта по трем осям от ветровых нагрузок, хождения экипажа, смещения грунта и др. по сигналам канала построения вертикали и выработки курса на первом, втором и третьем гироскопах и акселерометрах;- the ability to compensate for the error of self-orientation, caused by the object’s vibrations in three axes from wind loads, crew walking, soil displacement, etc. according to the signals of the vertical construction channel and course development on the first, second and third gyroscopes and accelerometers;

- режим хранения азимутального угла с помощью гироскопа средней точности при движении объекта (ось чувствительности которого ориентирована перпендикулярно основанию объекта);- the storage mode of the azimuthal angle using a medium-precision gyroscope when moving an object (the sensitivity axis of which is oriented perpendicular to the base of the object);

- определение углов наклона объекта на стоянке и при движении объекта;- determination of the angle of inclination of the object in the parking lot and during the movement of the object;

- повышение надежности, увеличение ресурса, упрощение конструкции, снижение массы, габаритов и стоимости.- improving reliability, increasing the resource, simplifying the design, reducing weight, dimensions and cost.

При этом конструкция ГГК не содержит систем стабилизации и горизонтирования, датчиков углового положения рам подвеса, характерных для платформенных гиросистем, позволяет вместо нескольких использовать один высокоточный гироскоп и снизить требования к точности гироскопов, сигналы которых используются для хранения направления и определения углов наклонов.At the same time, the GGK design does not contain stabilization and leveling systems, the angular position sensors of the suspension frames characteristic of platform gyrosystems, instead of several, use one high-precision gyroscope and reduce the accuracy requirements of gyroscopes, whose signals are used to store the direction and determine the angle of inclination.

Проведены экспериментальные исследования и моделирование работы ГГК, подтверждающие улучшение характеристик устройства. Так при реализации предлагаемого ГГК, в составе которого в качестве первого гироскопа 1 применяется высокоточный ВОГ фирмы «Оптолинк» ОИУС-1000 со случайным дрейфом 0.01°/час, массой 1 кг, габаритными размерами 150 мм, относительной стоимостью 2.6, в качестве второго гироскопа - среднеточный ВОГ ОИУС-200 той же фирмы со случайным дрейфом 0.2°/час, массой 0.22 кг, габаритными размерами 70 мм и относительной стоимостью 1.0, в качестве третьего гироскопа - низкоточный микромеханический гироскоп со случайным дрейфом 3°/час, массой 0.1 кг, габаритными размерами 40 мм и относительной стоимостью 0.3, в качестве акселерометров - акселерометры АК-15-2 с относительной стоимостью 0.52, точность определения азимута достигает 0.07°·sec(широты) в рабочем диапазоне температур. В соответствии с описанием устройство-прототип для достижения аналогичной точности должно содержать триаду непрерывно вращающихся гироскопов ОИУС-1000 и триаду акселерометров АК-15-2 с соответствующим увеличением стоимости, массы и габаритов.Experimental studies and simulations of the GGK operation were carried out, confirming the improvement of the device characteristics. So, in the implementation of the proposed GGC, in which the first gyroscope 1 is used, the high-precision FOG of Optolink OIUS-1000 with a random drift of 0.01 ° / h, a mass of 1 kg, overall dimensions of 150 mm, a relative cost of 2.6, as the second gyroscope - medium-sized VOG OIUS-200 of the same company with a random drift of 0.2 ° / hour, weighing 0.22 kg, overall dimensions of 70 mm and a relative cost of 1.0, as the third gyroscope - a low-current micromechanical gyroscope with a random drift of 3 ° / hour, weighing 0.1 kg, overall sizes 40 mm and a relative cost of 0.3, as accelerometers - AK-15-2 accelerometers with a relative cost of 0.52, the accuracy of determining the azimuth reaches 0.07 ° · sec (latitude) in the operating temperature range. In accordance with the description, the prototype device to achieve similar accuracy should contain a triad of continuously rotating gyroscopes OIUS-1000 and a triad of accelerometers AK-15-2 with a corresponding increase in cost, weight and dimensions.

Claims

A gyrohorizontcompass, including a first gyroscope mounted on a rotating shaft, whose sensitivity axis is perpendicular to the axis of the rotating shaft, an actuator whose rotor is connected to the rotating shaft, the first and second accelerometers, the second and third gyroscopes installed in the gyrohorizontcompass housing, the sensitivity axes of the first and second accelerometers are parallel the base of the gyrohorizontcompass and are mutually orthogonal, the sensitivity axis of the third gyroscope is parallel to the base of the gyrohorizontcompass, a howl computer comprising an orientation angle generation block, an azimuth determination error calculation and auto-compensation unit, an actuator control unit and a control device, the inputs of the on-board computer being the first, second, third, fourth and fifth inputs of the orientation angle generation block, respectively connected to the outputs the first, second and third gyroscopes and the outputs of the first and second accelerometers, the output of the first gyroscope is additionally connected to the first input of the calculation unit and auto compensation for the error in determining the azimuth, the output of which is connected to the sixth input of the block generating the orientation angles and with the first input of the control unit of the actuator, the first output of which is connected to the third input of the block for calculating and automatically compensating for the error in the azimuth, the seventh input of the block for generating the orientation angles is connected to the second output of the block actuator control unit, the third output of which is connected to the input of the actuator, and the second input of the actuator control unit the shaft is connected to the output of the control device, characterized in that a switch is included in the on-board computer, the first and second inputs of which are connected respectively to the first and second outputs of the orientation angle generating unit, the third input is connected to the fourth additional output of the actuator control unit, the output of the switch is connected with the second input of the calculation and auto-compensation unit of the error in determining the azimuth, the fourth additional input of which is connected to the third additional output of the unit and generating orientation angles, with the housing connected girogorizontkompasa stator of the actuator and a rotary shaft mounted perpendicular to the base girogorizontkompasa and the second gyroscope mounted in the housing girogorizontkompasa sensitivity axis is perpendicular to its base.