RU2759502C1 - Method for determining azimuth using angular velocity sensor - Google Patents
Method for determining azimuth using angular velocity sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2759502C1 RU2759502C1 RU2021104396A RU2021104396A RU2759502C1 RU 2759502 C1 RU2759502 C1 RU 2759502C1 RU 2021104396 A RU2021104396 A RU 2021104396A RU 2021104396 A RU2021104396 A RU 2021104396A RU 2759502 C1 RU2759502 C1 RU 2759502C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- azimuth
- determining
- angular velocity
- vertical
- avs
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/02—Rotary gyroscopes
- G01C19/34—Rotary gyroscopes for indicating a direction in the horizontal plane, e.g. directional gyroscopes
- G01C19/38—Rotary gyroscopes for indicating a direction in the horizontal plane, e.g. directional gyroscopes with north-seeking action by other than magnetic means, e.g. gyrocompasses using earth's rotation
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области определения азимута заданного направления и может быть использовано в гирокомпасах аналитического типа при решении задач геодезии, навигации, топографии, прицеливания и наведения.The invention relates to the field of determining the azimuth of a given direction and can be used in analytical-type gyrocompasses when solving problems of geodesy, navigation, topography, aiming and guidance.
Известны способы определения азимута (истинного курса) с помощью гироскопического датчика угловой скорости (ДУС) путем измерения проекций горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли на оси чувствительности (одну или две) датчика [1-3]. Основу способов составляет последовательная процедура предварительной выставки осей чувствительности в горизонт, поворота осей на заданные углы, определения показаний осей и вычисления азимута с использованием полученных показаний. При этом обеспечивается автокомпенсация систематических погрешностей ДУС, а также минимизация ошибки горизонтирования и времени проведения измерений.Known methods for determining the azimuth (true heading) using a gyroscopic angular velocity sensor (ARS) by measuring the projections of the horizontal component of the angular velocity of the Earth's rotation on the axis of sensitivity (one or two) of the sensor [1-3]. The methods are based on a sequential procedure for preliminary alignment of the sensitivity axes to the horizon, rotation of the axes at specified angles, determination of the axis readings and the calculation of the azimuth using the readings. At the same time, autocompensation of systematic errors of the control system is provided, as well as minimization of the leveling error and the measurement time.
Недостатком способов [1-3] является существенный рост ошибки определения азимута по мере увеличения широты местоположения ДУС. Значительной ошибка становится в высокоширотных приполярных и полярных областях, что особенно нежелательно в интенсивно осваиваемых арктических зонах. Обусловлено это тем, что при измерениях используется только горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли и не задействуется ее вертикальная составляющая. С увеличением широты местоположения ДУС величина горизонтальной составляющей и ее измеряемых проекций падает, достигая минимальных значений в высокоширотных областях. Как результат, существенно возрастает случайная по природе инструментальная погрешность измерений, значение которой на практике при использовании конкретного измерительного инструмента тем выше, чем меньше значение фиксируемой величины.The disadvantage of methods [1-3] is a significant increase in the error in determining the azimuth as the latitude of the DUS location increases. The error becomes significant in the high-latitude circumpolar and polar regions, which is especially undesirable in the intensively developed arctic zones. This is due to the fact that during measurements only the horizontal component of the angular velocity of the Earth's rotation is used and its vertical component is not involved. With an increase in the latitude of the TLS location, the magnitude of the horizontal component and its measured projections decreases, reaching minimum values in high-latitude regions. As a result, the instrumental measurement error, which is random by nature, increases significantly, the value of which in practice when using a specific measuring instrument is the higher, the smaller the value of the fixed value.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения азимута с помощью одноосевого датчика угловой скорости [4], заключающийся в предварительной выставке оси чувствительности ДУС в вертикаль, последующей установке оси чувствительности поворотом от вертикали в четыре положения, расположенные в двух вертикальных ортогональных плоскостях и имеющие с вертикалью одинаковый ненулевой острый угол ε, считывании в каждом из четырех положений показаний ДУС и вычислении азимута направления первого положения оси чувствительности по формуле:The closest in technical essence to the claimed method is a method for determining the azimuth using a single-axis angular velocity sensor [4], which consists in a preliminary exhibition of the sensitivity axis of the DUS to the vertical, followed by setting the axis of sensitivity by turning from the vertical to four positions located in two vertical orthogonal planes and having the same non-zero acute angle ε with the vertical, reading in each of the four positions of the ADS readings and calculating the azimuth of the direction of the first position of the sensitivity axis according to the formula:
где Ω1, Ω.2, Ω3, Ω4 - показания ДУС, пронумерованные по часовой стрелке относительно первого положения оси чувствительности датчика.where Ω 1 , Ω . 2, Ω 3 , Ω 4 - OLS readings, numbered clockwise relative to the first position of the sensor sensitivity axis.
Принципиальным отличием способа-прототипа [4] от аналогов [1-3] является включение в состав показаний Ω1, Ω.2, Ω3, Ω4, помимо горизонтальных проекций ωгsinεcosA, -ωгsinεsinA, -ωrsinεcosA, ωгsinεsinA, одинаковой для всех четырех положений оси чувствительности вертикальной проекции concose Здесь ωг=ωз cosϕ, ωв=ωзsinϕ - горизонтальная и вертикальная составляющие угловой скорости вращения Земли ωз, ϕ - широта местоположения ДУС.The fundamental difference between the prototype method [4] and analogs [1-3] is the inclusion of Ω 1 , Ω in the readings. 2, Ω 3, Ω 4, in addition to the horizontal projections ωgsinεcosA, -ωgsinεsinA, -ωrsinεcosA, ωgsinεsinA the same for all four positions sensitivity axis vertical projection concose where ω r = ω s cosφ, ω a = ω z sinφ - horizontal and vertical components the angular velocity of the Earth's rotation ω s , ϕ is the latitude of the DUS location.
Способ [4] обеспечивает независимость результата расчета азимута А по формуле (1) от значений масштабного коэффициента и нулевого сигнала ДУС, а также от величины угла поворота ε. Единственным фактором, влияющим на точность определения азимута А, являются погрешности, обусловленные случайными ошибками Δω измерения горизонтальных проекций угловой скорости вращения Земли.The method [4] ensures the independence of the result of calculating the azimuth A according to the formula (1) from the values of the scale factor and the zero signal of the DLS, as well as from the value of the angle of rotation ε. The only factor affecting the accuracy of determining the azimuth A are errors due to random errors Δω in measuring the horizontal projections of the angular velocity of the Earth's rotation.
Важно отметить, что промежуточные показания Ω1, Ω.2, Ω3, Ω4 содержат числовую подставку в виде вертикальной проекции ωвcosε, чем обеспечивается малое значение инструментальной погрешности в составе случайных ошибок Δω фиксируемых горизонтальных проекций. Как отмечалось, это особенно важно при малых значениях указанных проекций. При этом итоговые вычисления по формуле (1) устраняют непосредственное влияние неинформативной вертикальной проекции ωвcosε на конечный результат расчета значения азимута А.It is important to note that the intermediate readings are Ω 1 , Ω . 2, Ω 3 , Ω 4 contain a numerical bias in the form of a vertical projection of ω to cosε, which ensures a small value of the instrumental error in the composition of random errors Δω of the fixed horizontal projections. As noted, this is especially important at low values of the indicated projections. In this case, the final calculations according to the formula (1) eliminate the direct influence of the uninformative vertical projection ω in cos ε on the final result of calculating the azimuth value A.
Согласно способу [4], среднеквадратическая погрешность (СКП) определения азимута σΔА связана с СКП измерения угловой скорости σΔА соотношением:According to the method [4], the root-mean-square error (RMS) for determining the azimuth σ ΔА is related to the RMS for measuring the angular velocity σ ΔА by the ratio:
где 
Из соотношения (2) следует, что при прочих равных условиях угол поворота ε является фактором, определяющим точность вычисления азимута. Иными словами, значение СКП σΔА зависит от выбора этого угла. С одной стороны, величину ε необходимо выбирать максимально возможной (в пределе до 90°) для повышения точности определения азимута за счет сохранения значимых значений горизонтальных проекций угловой скорости вращения Земли. С другой - минимально допустимой (в пределе до 0°) для получения достаточной числовой подставки в виде вертикальной проекции ωвcosε.From relation (2) it follows that, other things being equal, the angle of rotation ε is a factor that determines the accuracy of calculating the azimuth. In other words, the value of the SKP σ ΔA depends on the choice of this angle. On the one hand, the value of ε must be chosen as high as possible (within the limit up to 90 °) to improve the accuracy of determining the azimuth by retaining significant values of the horizontal projections of the angular velocity of the Earth's rotation. On the other hand, it is the minimum allowable (up to 0 °) to obtain a sufficient numerical bias in the form of a vertical projection of ω to cosε.
Таким образом, необходимо компромиссное правило выбора и установки угла поворота ε. Однако в способе-прототипе такое правило отсутствует. Это является существенным недостатком способа [4].Thus, a compromise rule for choosing and setting the angle of rotation ε is necessary. However, in the prototype method, such a rule is absent. This is a significant disadvantage of the method [4].
Цель заявляемого изобретения состоит в разработке правила выбора и установки угла ε между вертикалью и осью чувствительности ДУС при определении азимута по показаниям ДУС в четырех последовательных ортогональных положениях оси чувствительности.The purpose of the claimed invention is to develop a rule for choosing and setting the angle ε between the vertical and the axis of sensitivity of the AOE when determining the azimuth from the readings of the AOE in four successive orthogonal positions of the axis of sensitivity.
Для достижения указанной цели в способе определения азимута с помощью ДУС, заключающемся в предварительной выставке оси чувствительности ДУС в вертикаль, последующей установке оси чувствительности поворотом от вертикали в четыре положения, расположенные в двух вертикальных ортогональных плоскостях и имеющие с вертикалью одинаковый ненулевой острый угол ε, считывании в каждом из четырех положений показаний ДУС и вычислении по указанным показаниям азимута направления первого положения оси чувствительности, дополнительно используют навигационный прибор, с помощью которого определяют широту ϕ местоположения ДУС, угол поворота ε устанавливают из условия обеспечения требуемой СКП σΔАтреб определения азимута при известной широте ϕ и заданной СКП σΔАлзад измерения угловой скорости ДУС, при этом угол ε вычисляют по формулеTo achieve this goal in the method for determining the azimuth using the DUS, which consists in the preliminary exposure of the DUS sensitivity axis to the vertical, the subsequent installation of the sensitivity axis by turning from the vertical to four positions located in two vertical orthogonal planes and having the same nonzero acute angle ε with the vertical, reading in each of the four positions of the ADS readings and the calculation according to the indicated azimuth readings of the direction of the first position of the sensitivity axis, a navigation device is additionally used with which the latitude ϕ of the ADS location is determined, the angle of rotation ε is set from the condition of ensuring the required RMS σ ΔA Requirement for determining the azimuth at a known latitude ϕ and a given RMS σ ΔAlzad for measuring the angular velocity of the DLS, while the angle ε is calculated by the formula
Технический результат заключается в обеспечении требуемой точности определения азимута. При этом мерой точности служит величина СКП ωΔАтреб.The technical result consists in ensuring the required accuracy of determining the azimuth. In this case, the value of the RMS ω ΔAreb serves as a measure of accuracy.
Математическое обоснование заявляемого способа заключается в следующем.The mathematical substantiation of the proposed method is as follows.
В соответствии с соотношением (2) максимальная точность определения азимута (минимальное значение СКП ωΔА) достигается при минимальном значении коэффициента влияния k(ϕ,ε). Исследование функции k(ϕ,ε) двух переменных ϕ, ε на экстремум [5] показывает, что необходимому условию существования экстремума (минимума):In accordance with relation (2), the maximum accuracy of determining the azimuth (the minimum value of the RMS ω ΔA) is achieved at the minimum value of the influence coefficient k (ϕ, ε). Examination of the function k (ϕ, ε) of two variables ϕ, ε for an extremum [5] shows that the necessary condition for the existence of an extremum (minimum):
где 
откуда АС-В2=-а2<0, что свидетельствует об отсутствии безусловного экстремума функции k(ϕ,ε).whence AC-B 2 = -а 2 <0, which indicates the absence of an unconditional extremum of the function k (ϕ, ε).
В таком случае следует решать задачу достижения требуемой точности определения азимута (требуемого значения СКП σΔAтреб) при условии фиксированной широты ϕ (определяется дополнительным навигационным прибором) и заданной СКП σΔAзад измерения угловой скорости (точностная характеристика используемого ДУС). Искомым решением задачи является угол поворота ε, обеспечивающий требуемую точность. В результате от соотношения (2) приходим к формуле (3).In this case, it is necessary to solve the problem of achieving the required accuracy of determining the azimuth (the required value of the RMS σ ΔAreq) under the condition of a fixed latitude ϕ (determined by an additional navigation device) and a given RMS σ ΔAzad for measuring the angular velocity (the accuracy characteristic of the used ATS). The desired solution to the problem is the angle of rotation ε, which provides the required accuracy. As a result, from relation (2) we arrive at formula (3).
Возможности способа по определению угла ε иллюстрируют следующие результаты расчетов.The possibilities of the method for determining the angle ε are illustrated by the following calculation results.
Расчеты были проведены в рамках числового примера, рассмотренного в способе-прототипе [4], а именно: требуемая СКП определения азимута σΔAтреб равнялась 0, 001 рад (3 угл. мин), заданная СКП σΔAзад измерения угловой скорости ДУС (чувствительность ДУС по терминологии способа [4]) - 0,005 угл. сек/сек. Использованное значение σΔωзад соответствует точностным характеристикам выбранных в [4] отечественных образцов ДУС ВОГ951 и 500ПН ПИК, а также большинства современных отечественных и зарубежных ДУС волоконно-оптического типа среднего класса точности.The calculations were carried out within the framework of a numerical example considered in the prototype method [4], namely: the required RMS for determining the azimuth σ ΔAreq was 0.001 rad (3 arc min.), The set RMS σ ΔAzad for measuring the angular velocity of the DUS (sensitivity of the DUS for terminology of the method [4]) - 0.005 ang. sec / sec. The used value of σ Δωset corresponds to the accuracy characteristics of the domestic samples of DUS VOG951 and 500PN PIK selected in [4], as well as the majority of modern domestic and foreign DUS fiber-optic type of middle accuracy class.
Результаты расчетов представлены в Табл. 1, из которой следует, что при указанных исходных данных угол ε, обеспечивающий требуемую точность определения азимута, меняется в широких пределах в зависимости от широты ϕ местоположения ДУС. При этом, начиная с широты ϕ=75,5° (приблизительно), рассматриваемая задача решения не имеет, т.е. использовать способ с выбранными образцами ДУС в приполярных областях нецелесообразно.The calculation results are presented in Table. 1, from which it follows that with the specified initial data, the angle ε, which provides the required accuracy in determining the azimuth, varies over a wide range depending on the latitude ϕ of the position of the control system. Moreover, starting from latitude ϕ = 75.5 ° (approximately), the considered problem has no solution, i.e. it is not advisable to use the method with the selected TLS samples in the circumpolar regions.
Дополнительно для сравнения проведены аналогичные расчеты для высокоточного лазерного гироскопа модификации ZLG компании Northrop Grumman (США), характеризующегося величиной СКП σΔAзад=0,0015 утл.сек/сек (Табл. 2). Сравнение результатов таблиц показывает, что с ростом точности ДУС абсолютные значения и диапазон изменения угла ε снижаются. При этом существенно расширяется область широт ϕ (до 85,5° приблизительно), где применение способа целесообразно.Additionally, for comparison, similar calculations were carried out for a high-precision laser gyroscope of the ZLG modification by Northrop Grumman (USA), characterized by the value of the RMS σ ΔAss = 0.0015 arcsec / s (Table 2). Comparison of the results of the tables shows that with an increase in the accuracy of the TLS, the absolute values and the range of variation of the angle ε decrease. At the same time, the region of latitudes ϕ (up to 85.5 ° approximately), where the application of the method is expedient, expands significantly.
Из приведенных материалов следует, что заявляемый способ содержит конструктивное правило выбора и установки угла поворота ε и позволяет дать практические рекомендации по использованию конкретных образцов ДУС для определения азимута в различных широтах.From the above materials, it follows that the claimed method contains a constructive rule for choosing and setting the angle of rotation ε and makes it possible to give practical recommendations on the use of specific DUS samples to determine the azimuth at different latitudes.
Таким образом, заявляемый способ может быть реализован и обеспечивает требуемую точность определения азимута.Thus, the claimed method can be implemented and provides the required accuracy in determining the azimuth.
Источники информации:Sources of information:
1. Патент RU 2098766.1. Patent RU 2098766.
2. Патент RU 2300078.2. Patent RU 2300078.
3. Патент RU 2560742.3. Patent RU 2560742.
4. Патент RU 2340875.4. Patent RU 2340875.
5. Алгоритм исследования функции двух переменных на экстремум. - Режим доступа: https://math.semestr.ru/math/extremum.php.5. Algorithm for studying a function of two variables for an extremum. - Access mode: https://math.semestr.ru/math/extremum.php.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021104396A RU2759502C1 (en) | 2021-02-20 | 2021-02-20 | Method for determining azimuth using angular velocity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021104396A RU2759502C1 (en) | 2021-02-20 | 2021-02-20 | Method for determining azimuth using angular velocity sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2759502C1 true RU2759502C1 (en) | 2021-11-15 |
Family
ID=78607125
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021104396A RU2759502C1 (en) | 2021-02-20 | 2021-02-20 | Method for determining azimuth using angular velocity sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2759502C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2063611C1 (en) * | 1992-08-20 | 1996-07-10 | Малое государственное предприятие фирма "Момент" | Externally slaved gyrocompass |
| RU2188392C1 (en) * | 2001-06-21 | 2002-08-27 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Method of determination of true heading of inclined object with the use of gyroscopic angular-rate sensor |
| RU2189564C1 (en) * | 2001-07-26 | 2002-09-20 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Method of gyrocompassing by means of gyroscopic rate sensor and combined compensation of it drift |
| RU2340875C1 (en) * | 2007-06-13 | 2008-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики им. академика Н.А. Семихатова" | Azimuth determination method using angular velocity sensor |
| US8151475B2 (en) * | 2009-04-07 | 2012-04-10 | Azimuth Technologies Ltd. | North finding device, system and method |
-
2021
- 2021-02-20 RU RU2021104396A patent/RU2759502C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2063611C1 (en) * | 1992-08-20 | 1996-07-10 | Малое государственное предприятие фирма "Момент" | Externally slaved gyrocompass |
| RU2188392C1 (en) * | 2001-06-21 | 2002-08-27 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Method of determination of true heading of inclined object with the use of gyroscopic angular-rate sensor |
| RU2189564C1 (en) * | 2001-07-26 | 2002-09-20 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Method of gyrocompassing by means of gyroscopic rate sensor and combined compensation of it drift |
| RU2340875C1 (en) * | 2007-06-13 | 2008-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики им. академика Н.А. Семихатова" | Azimuth determination method using angular velocity sensor |
| US8151475B2 (en) * | 2009-04-07 | 2012-04-10 | Azimuth Technologies Ltd. | North finding device, system and method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4870602A (en) | Method for determining route angles | |
| US8751161B2 (en) | Method of determining a heading in the geographical north direction by means of an inertial unit | |
| US2914763A (en) | Doppler-inertial navigation data system | |
| RU2269813C2 (en) | Method for calibrating parameters of platform-less inertial measuring module | |
| CN106705997A (en) | Fiber optic gyroscope north-seeking start error suppression method | |
| RU2759502C1 (en) | Method for determining azimuth using angular velocity sensor | |
| RU2340875C1 (en) | Azimuth determination method using angular velocity sensor | |
| RU2717566C1 (en) | Method of determining errors of an inertial unit of sensitive elements on a biaxial rotary table | |
| RU2619443C2 (en) | Method of error estimating of three-axis gyroscope | |
| RU2560742C1 (en) | Method of azimuth determination | |
| RU2579768C2 (en) | Method to determine scale factor of solid-state wave gyroscope on rotary table | |
| US2976618A (en) | Gyro-compass | |
| RU2509979C1 (en) | Method of autonomous azimuthal orientation of platform of three-axial gyrostabiliser by varying points of correction | |
| RU2176780C1 (en) | Method for determination of true course with the aid of two-channel gyroscopic angular-rate sensor | |
| JPS595845B2 (en) | true north reference device | |
| RU2711572C1 (en) | Method for independent determination of three-axis gyrostabilizer platform departures | |
| Rahimi et al. | Improving the calibration process of inertial measurement unit for marine applications | |
| RU2408843C1 (en) | Analytical gyro-compass for quasi-static measurements | |
| RU2617141C1 (en) | Method for determining azimuth | |
| RU2386106C1 (en) | Method of adjusting programmed movement of polar electrostatic gyroscope of shipborne navigation system | |
| RU2300078C1 (en) | Method for measurement of projections of horizontal component of vector of earth angular velocity for determination of azimuth direction (compassing) | |
| RU2194948C1 (en) | Method of algorithm compensation of error of gyrocompassing by means of angular-rate sensor | |
| JP2609976B2 (en) | Compass | |
| RU2788825C1 (en) | Calibration method of a three-axis electronic magnetic compass | |
| RU2795393C1 (en) | Method for bench calibration of a three-channel accelerometer unit |