RU2783479C1

RU2783479C1 - Method for determining the dynamic error of a magnetic compass with a pitching correction system and a device for its implementation

Info

Publication number: RU2783479C1
Application number: RU2022105887A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Геннадиевич Грязин
Original assignee: Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Filing date: 2022-03-05
Publication date: 2022-11-14

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: inventions group relates to the field of measuring technology. The studied magnetic compass (MC) is installed on a stand capable of reproducing oscillations in yaw angles in the frequency spectrum corresponding to the operating conditions of the MC and in a magnetic field with specified parameters. The MC signal is recorded, coming from the output of the control device equipped with a correction system. The signal is a combination of a constant magnetic heading signal and a variable yaw value, in which there is a dynamic error. The signal is recorded from the turn angle sensor of the stand. According to the recorded implementations, graphs of the spectral density are built. By the difference in the values of the graphs, the spectral density of the dynamic error of the MC on the roll is determined, and then the values of its dispersion and the standard deviation (SD).

EFFECT: increasing the reliability of determining the dynamic error of the MC in the specific conditions of its operation.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к испытательному оборудованию, и может быть использовано для оценки в лабораторных условиях динамической погрешности магнитных компасов (МК), оснащённых системой коррекции при их работе на различных широтах при воздействии качки. Система коррекции МК предложена, например в [патент РФ №2688900].The invention relates to the field of measuring technology, in particular to test equipment, and can be used to evaluate in laboratory conditions the dynamic error of magnetic compasses (MC) equipped with a correction system when they operate at different latitudes when exposed to rolling. The MC correction system is proposed, for example, in [RF patent No. 2688900].

Известен способ определения динамической погрешности МК, вызванной качкой, и устройство для его реализации [патент РФ №2718691]. Согласно этому способу котелок магнитного компаса в кардановом подвесе, устанавливается на одноосный стенд, воспроизводящий угловые колебания, относительно горизонтальной оси в заданном спектре частот, при этом на котелок компаса дополнительно воздействует постоянное магнитное поле с задаваемыми вектором и напряженностью, соответствующим условиям эксплуатации. Для определения динамической погрешности задается одноосная качка карданова подвеса с котелком МК, а значение динамической погрешности определяется расчетом значения среднеквадратического отклонения переменной составляющей отклонений магнитного курса от первоначально заданного положения. К недостаткам способа относится отсутствие возможности формирования дополнительного влияния судовых магнитных сил на МК, изменяющихся от качки, которые определяются как изменение креновой погрешности МК, вызванной качкой и приводят к дополнительному отклонению картушки МК по углу рыскания.A known method for determining the dynamic error of the MC caused by pitching, and a device for its implementation [RF patent No. 2718691]. According to this method, a magnetic compass bowl in a gimbal suspension is installed on a uniaxial stand that reproduces angular oscillations relative to the horizontal axis in a given frequency spectrum, while the compass bowl is additionally affected by a constant magnetic field with a given vector and intensity corresponding to the operating conditions. To determine the dynamic error, a uniaxial pitching of the gimbals with the MK bowler is set, and the value of the dynamic error is determined by calculating the value of the root-mean-square deviation of the variable component of the magnetic course deviations from the initially specified position. The disadvantages of the method include the lack of the possibility of forming an additional effect of the ship's magnetic forces on the MC, which change from pitching, which are defined as a change in the roll error of the MC caused by pitching and lead to an additional deviation of the MC card in terms of the yaw angle.

Наиболее близким по технической сущности является одноосный стенд для оценки амплитудно-частотной характеристики системы коррекции магнитного компаса [патент РФ №2757536]. Стенд позволяет воспроизводить угловые колебания МК по оси рыскания c заданной частотой. При этом ось разворота стенда расположена на некотором плече, относительно оси разворота картушки МК, а на основании стенда, вблизи котелка закреплены два постоянных магнита таким образом, что при развороте платформы с котелком, последний приближается к одному из них. Такая конструкция стенда позволяет приложить к магнитной системе картушки МК дополнительный магнитный момент, что приводит к дополнительному развороту картушки. Указанный дополнительный магнитный момент и имитирует влияние судовых магнитных сил, вызванных качкой. При дальнейшей обработке информации от датчика угла стенда и датчика угла разворота картушки МК оценивается АЧХ системы коррекции, компенсирующей дополнительную погрешность МК, вызванной качкой.The closest in technical essence is a single-axis stand for assessing the amplitude-frequency characteristics of the magnetic compass correction system [RF patent No. 2757536]. The stand allows you to reproduce the angular oscillations of the MC along the yaw axis with a given frequency. At the same time, the axis of the stand turn is located on a certain shoulder, relative to the axis of turn of the MC card, and on the base of the stand, near the bowler, two permanent magnets are fixed in such a way that when the platform with the bowler is turned, the latter approaches one of them. This design of the stand allows you to apply an additional magnetic moment to the magnetic system of the MK card, which leads to an additional turn of the card. The indicated additional magnetic moment imitates the influence of the ship's magnetic forces caused by the roll. During further processing of information from the stand angle sensor and the turn angle sensor of the MC card, the frequency response of the correction system is estimated, which compensates for the additional error of the MC caused by pitching.

Данное устройство принято за прототип предлагаемого изобретения.This device is taken as a prototype of the present invention.

К недостаткам прототипа, не позволяющим использовать его для оценки в лабораторных условиях динамической погрешности МК, оснащённых системой коррекции при их работе на качке в условиях различных широт, относится невозможность воспроизведения колебаний МК с заданным спектром частот и отсутствие соответствующего воздействия на котелок МК магнитного поля с параметрами, соответствующими географическим условиям эксплуатации, а также отсутствие оценки среднеквадратического отклонения переменной составляющей отклонений магнитного курса от первоначально заданного направления, вырабатываемого МК. Влияние судовых магнитных сил, вызванных качкой, является особенно важным для оценки динамической погрешности МК с системой коррекции в высоких широтах при воздействии на него малого значения горизонтальной и большого значения вертикальной составляющих магнитного поля Земли. Следовательно, прототип не позволяет воспроизводить условия, приближенные к реальным условиям эксплуатации МК, и, соответственно, определять динамическую погрешность измерения магнитного курса на качке при работе в условиях магнитного поля с заданными параметрами. The disadvantages of the prototype, which do not allow it to be used to assess the dynamic error of the MC in laboratory conditions, equipped with a correction system during their operation on pitching in conditions of different latitudes, include the impossibility of reproducing the MC oscillations with a given frequency spectrum and the lack of a corresponding effect on the MC kettle of a magnetic field with parameters corresponding to the geographical conditions of operation, as well as the lack of an estimate of the standard deviation of the variable component of the deviations of the magnetic course from the initially given direction, generated by the MC. The influence of the ship's magnetic forces caused by rolling is especially important for assessing the dynamic error of the MC with the correction system at high latitudes when it is exposed to a small value of the horizontal and a large value of the vertical components of the Earth's magnetic field. Therefore, the prototype does not allow to reproduce conditions close to the actual operating conditions of the MC, and, accordingly, to determine the dynamic error of measuring the magnetic heading on pitching when operating in a magnetic field with specified parameters.

Решаемая техническая проблема - совершенствование стендового оборудования для определения динамической погрешности МК, оснащённого системой коррекции, в условиях его эксплуатации.The technical problem being solved is the improvement of bench equipment for determining the dynamic error of the MC, equipped with a correction system, under its operating conditions.

Достигаемый технический результат - определение значения среднеквадратического отклонения (СКО) динамической погрешности измерения магнитного курса с помощью МК, оснащённого системой коррекции, на лабораторном стенде, воспроизводящем влияние на картушку МК параметров вектора напряжённости магнитного поля, характерного для различных географическим условий эксплуатации в условиях изменения от качки магнитных сил от судовой стали (далее - судовые магнитные силы).Achievable technical result - determination of the value of the root-mean-square deviation (RMS) of the dynamic error of measuring the magnetic heading using the MC, equipped with a correction system, on a laboratory bench that reproduces the effect on the MC card of the parameters of the magnetic field vector, characteristic for various geographical operating conditions in conditions of change from pitching magnetic forces from ship steel (hereinafter referred to as ship magnetic forces).

Реализация предлагаемого способа и устройства на его основе достигается следующим образом. Исследуемый котелок МК устанавливается на стенд, способный воспроизводить колебания по углам рыскания в спектре частот в условиях магнитного поля с заданными параметрами. Угловые одноосные колебания задаются со спектром, соответствующим условиям эксплуатации, а направление вектора и значение напряжённости магнитного поля соответствуют выбранным координатам места судна. Производится запись сигнала МК, поступающего с выхода прибора управления, оснащённого системой коррекции. Сигнал представляет собой совокупность постоянного сигнала магнитного курса и переменного значения рыскания, в котором присутствует динамическая погрешность. Кроме того, производится запись сигнала с датчика угла разворота стенда (колебаний стенда). С использованием двух записанных реализаций сигналов: - от МК и стенда, строятся графики спектральной плотности колебаний по рысканию стенда и переменной составляющей выходного сигнала МК. По разности значений графиков спектральной плотности [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров // М.: - Наука - 1974 - 832 с.] определяется спектральная плотность динамической погрешности МК на качке, а затем значения её дисперсии D = σ² и СКО - σ. The implementation of the proposed method and device based on it is achieved as follows. The bowl under study MK is installed on a stand capable of reproducing oscillations in yaw angles in the frequency spectrum in a magnetic field with specified parameters. Angular uniaxial oscillations are set with a spectrum corresponding to the operating conditions, and the direction of the vector and the value of the magnetic field strength correspond to the selected coordinates of the ship's position. The recording of the MK signal coming from the output of the control device equipped with a correction system is performed. The signal is a combination of a constant magnetic heading signal and a variable yaw value, in which there is a dynamic error. In addition, a signal is recorded from the stand turn angle sensor (bench vibrations). Using two recorded implementations of signals: - from the MC and the stand, graphs of the spectral density of oscillations are plotted for the yaw of the stand and the variable component of the output signal of the MC. According to the difference in the values of the spectral density graphs [G.Korn, T.Korn. Handbook of mathematics for scientists and engineers // M.: - Nauka - 1974 - 832 p.] determines the spectral density of the dynamic error of the MC on the roll, and then the values of its dispersion D = σ ² and RMS - σ.

Таким образом, предлагаемый способ заключается в следующем:Thus, the proposed method is as follows:

1. Котелок МК устанавливается в стенд для воспроизведения реальных условий эксплуатации прибора.1. Kettle MK is installed in the stand to reproduce the actual operating conditions of the device.

2. Задается вектор магнитного поля, необходимой напряженности и направления.2. Set the vector of the magnetic field, the required strength and direction.

3. Стендом воспроизводятся одноосные колебания по рысканию со спектральной плотностью, соответствующей качке реального судна на заданном волнении.3. The stand reproduces uniaxial oscillations in yaw with a spectral density corresponding to the rolling of a real vessel in a given wave.

4. Записываются реализации измеренных значений выходного сигналов курса МК и колебаний стенда за время экспериментальных исследований.4. Realizations of the measured values of the output signals of the course of the MC and the oscillations of the bench during the experimental studies are recorded.

5. По переменной составляющей записанных реализаций курса МК и колебаний стенда с помощью компьютерной программы строятся графики спектральной плотности этих процессов.5. Based on the variable component of the recorded realizations of the MC course and the bench oscillations, graphs of the spectral density of these processes are constructed using a computer program.

6. Из графика спектральной плотности колебаний стенда вычитаются ординаты графика спектральной плотности колебаний выходного сигнала МК.6. The ordinates of the graph of the spectral density of vibrations of the output signal of the MC are subtracted from the graph of the spectral density of oscillations of the stand.

7. На основе полученных вычислений строится график спектральной плотности динамической погрешности МК. 7. Based on the calculations obtained, a graph of the spectral density of the dynamic error of the MC is constructed.

8. Вычисляются значения дисперсии D и среднеквадратического отклонения σ динамической погрешности МК. Дисперсия динамической погрешности определится как площадь под графиком спектральной плотности динамической погрешности S_П(f) и определится выражением

. Из указанной формулы определится и СКО динамической погрешности.8. The values of the dispersion D and the standard deviation σ of the dynamic error of the MC are calculated. The dispersion of the dynamic error is defined as the area under the graph of the spectral density of the dynamic error S _P (f) and is determined by the expression

. From the specified formula, the standard deviation of the dynamic error will also be determined.

Предлагаемое для реализации способа устройство стенда (фиг.1) состоит из котелка МК 1, внутри которого находится картушка с чувствительной подвижной магнитной системой 2, оснащённой датчиком угла картушки 3. Котелок МК 1 подключён к прибору управления, оснащённому системой коррекции 4. Котелок МК 1 установлен на платформе одноосного стенда 5, которая разворачивается с помощью привода переменного тока 6. Формирование дополнительных магнитных сил, действующих на котелок МК производится с помощью постоянных магнитов 7 и 8, установленных на корпусе стенда. На оси привода переменного тока 6 установлен датчик угла разворота стенда 9, сигнал которого вместе с сигналом от прибора управления, оснащённого системой коррекции 4, подается на персональный компьютер 10. В стенде присутствуют две горизонтальные 11 и 12 и две вертикальные 13 и 14 катушки. Эти катушки питаются от управляемого источник тока 15. Сигнал рыскания стенда формируется блоком управления приводом, оснащённым персональным компьютером 16. Proposed for the implementation of the method stand device (figure 1) consists of a pot MK 1, inside which is a card with a sensitive movable magnetic system 2, equipped with a card angle sensor 3. Pot MK 1 is connected to a control device equipped with a correction system 4. Pot MK 1 installed on the platform of a uniaxial stand 5, which is deployed using an AC drive 6. The formation of additional magnetic forces acting on the MK kettle is carried out using permanent magnets 7 and 8 installed on the stand body. On the axis of the AC drive 6, a turn angle sensor of the stand 9 is installed, the signal of which, together with the signal from the control device equipped with the correction system 4, is fed to the personal computer 10. The stand contains two horizontal 11 and 12 and two vertical 13 and 14 coils. These coils are powered by a controlled current source 15. The yaw signal of the stand is generated by the drive control unit equipped with a personal computer 16.

На фиг. 1 приведены обозначения:In FIG. 1 shows the designations:

1 – котелок МК,1 - bowler hat MK,

2 – картушка МК с чувствительной подвижной магнитной системой,2 - MK card with a sensitive movable magnetic system,

3 – датчик угла картушки,3 – card angle sensor,

4 – прибор управления, оснащённый системой коррекции,4 - control device equipped with a correction system,

5 – платформа одноосного стенда,5 - platform of a single-axis stand,

6 – привод переменного тока,6 - AC drive,

7, 8 – постоянные магниты,7, 8 - permanent magnets,

9 – датчик угла разворота стенда,9 – stand turn angle sensor,

10 – персональный компьютер,10 - personal computer,

11, 12 - горизонтальные катушки,11, 12 - horizontal coils,

13, 14 - вертикальные катушки,13, 14 - vertical coils,

15 - управляемый источник тока,15 - controlled current source,

16 - блок управления приводом, оснащённый персональным компьютером.16 - drive control unit equipped with a personal computer.

ϕ - угол рыскания стенда.ϕ - stand yaw angle.

ϕ_МК – сигнал МК на выходе системы коррекции прибора управления МК.ϕ _MK is the MK signal at the output of the correction system of the MK control device.

Функционирование предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.The operation of the proposed device is as follows.

Котелок 1 установлен на платформе 5 на некотором плече l, относительно оси вращения платформы 5. Угол поворота картушки 2 измеряется датчиком угла картушки 3 и передаётся на прибор управления, оснащённый системой коррекции 4. Система коррекции, например, из [патент РФ №2688900]. Платформа 5 совершает угловые колебания с задаваемым спектром частот рыскания. Колебания обеспечиваются работой привода переменного тока 6 и формируются программой персонального компьютера блока управления приводом 16. При этом на неподвижной части стенда установлены постоянные магниты 7 и 8, которые при приближении к ним котелка формируют на чувствительной подвижной магнитной системе картушки 2 дополнительный магнитный момент, имитирующий влияние судовых магнитных сил, вызванных качкой. Пары горизонтальных 11, 12 и вертикальных 13, 14 катушек, подключённых к управляемому источнику тока 15, формируют на котелке постоянное магнитное поле с напряжённостью и вектором, соответствующим географическим условиям эксплуатации. При развороте стенда на угол рыскания φ, измеряемый датчиком угла разворота стенда 9, котелок 1 приближается к одному из постоянных магнитов, в результате чего чувствительная подвижная магнитная система картушки 2 разворачивается на угол
ϕ_К = ϕ + Δϕ, где Δϕ – угол отклонения магнитной системы, обусловленный действием постоянных магнитов 7 и 8 и пропорциональный погрешности МК от качки. В том случае, если с помощью катушек 11 - 14 создать магнитное поле с необходимыми характеристиками и задать закон изменения углов рыскания φ стенда в соответствии с задаваемым спектром качки с помощью управляемого привода 16, то при угловых колебаниях стенда датчик угла 3 картушки будет вырабатывать сигнал с дополнительно сформированной погрешностью, возникающей из-за качки судна в заданном спектре частот в заданной географической точке. Указанная погрешность будет компенсирована в приборе управления, оснащённого системой коррекции, по заданному алгоритму, например, предложенному в [патент РФ №2688900]. Cигнал с прибора управления φ_МК будет передан в персональный компьютер 10, который выполняет расчёт спектральной плотности входного сигнала S_φ(f) от датчика 9 и строит график этой спектральной плотности. График спектральной плотности выходного сигнала S_φмк(f) с выхода прибора управления с системой коррекции МК, имеющего в составе динамическую погрешность, также будет рассчитан в персональном компьютере 10. Здесь f - диапазон частот. Разность этих графиков спектральных плотностей будет определять график спектральной плотности динамической погрешности МК в условиях его эксплуатации S_П(f)=S_φ(f)- S_φмк(f). Дисперсия динамической погрешности определится как площадь под графиком спектральной плотности динамической погрешности S_П(f) и определится выражением

. Из указанной формулы определится и СКО динамической погрешности. The pot 1 is mounted on the platform 5 on a certain shoulder l, relative to the axis of rotation of the platform 5. The angle of rotation of the card 2 is measured by the angle sensor of the card 3 and transmitted to the control device equipped with a correction system 4. The correction system, for example, from [RF patent No. 2688900]. Platform 5 performs angular oscillations with a given range of yaw frequencies. The oscillations are provided by the operation of the AC drive 6 and are formed by the program of the personal computer of the drive control unit 16. At the same time,

permanent magnets

7 and 8 are installed on the stationary part of the stand, which, when the pot approaches them, form an additional magnetic moment on the sensitive movable magnetic system of the card 2, simulating the effect ship's magnetic forces caused by pitching. Pairs of horizontal 11, 12 and vertical 13, 14 coils connected to a controlled current source 15 form a constant magnetic field on the kettle with a strength and a vector corresponding to the geographical operating conditions. When the stand turns to the yaw angle φ, measured by the turn angle sensor of the stand 9, the pot 1 approaches one of the permanent magnets, as a result of which the sensitive movable magnetic system of the card 2 turns to an angle
ϕ _K = ϕ + Δϕ, where Δϕ is the angle of deviation of the magnetic system, due to the action of

permanent magnets

7 and 8 and proportional to the error of the MC from rolling. In the event that, using coils 11 - 14, a magnetic field with the necessary characteristics is created and the law of change of the yaw angles φ of the stand is set in accordance with the specified pitching spectrum using controlled drive 16, then with angular vibrations of the stand, the angle sensor 3 of the card will generate a signal with an additionally formed error arising from the motion of the ship in a given frequency spectrum at a given geographical point. The specified error will be compensated in the control device, equipped with a correction system, according to a given algorithm, for example, proposed in [RF patent No. 2688900]. The signal from the control device φ _MK will be transferred to the personal computer 10, which calculates the spectral density of the input signal S _φ (f) from the sensor 9 and plots this spectral density. The graph of the spectral density of the output signal S _φmk (f) from the output of the control device with the correction system MK, which includes a dynamic error, will also be calculated in the personal computer 10. Here f is the frequency range. The difference between these graphs of spectral densities will determine the graph of the spectral density of the dynamic error of the MK in the conditions of its operation S _P (f)=S _φ (f) - S _φmk (f). The dispersion of the dynamic error is defined as the area under the graph of the spectral density of the dynamic error S _P (f) and is determined by the expression

Традиционно экспериментальное определение динамической погрешности приборов, в частности МК, производится путём воспроизведения стендом заданной частоты и оценки погрешности на этой частоте. Далее частота изменяется, причём эксперимент проводится во всей области рабочих частот. Воспроизведение колебаний, определяемых спектральной плотностью качки при воздействии магнитного поля с заданными параметрами, позволяет сократить время испытаний в связи с отсутствием необходимости выполнения исследований на каждой частоте. Кроме того, в случае задания спектра качки конкретного судна, заявляемые способ и устройство (стенд) повышают достоверность определения динамической погрешности МК в конкретных условиях его эксплуатации.Traditionally, the experimental determination of the dynamic error of instruments, in particular the MC, is carried out by reproducing a given frequency by the stand and estimating the error at this frequency. Further, the frequency changes, and the experiment is carried out in the entire range of operating frequencies. Reproduction of oscillations determined by the spectral density of rolling under the influence of a magnetic field with given parameters makes it possible to reduce the test time due to the absence of the need to perform studies at each frequency. In addition, in the case of specifying the rolling spectrum of a particular vessel, the proposed method and device (stand) increase the reliability of determining the dynamic error of the MC in specific conditions of its operation.

Экспериментальные исследования способа и устройства производились с использованием МК "Азимут КМ-05Д", котелок которого был установлен на платформу стенда (фиг.1). При воспроизведении стендом углов рыскания с максимальной амплитудой 10° в диапазоне периодов от 3 до 140 секунд в условиях вектора магнитного поля, соответствующего Санкт-Петербургу, были получены значения СКО динамической погрешности МК с системой коррекции, составившей 0,3°, что соответствует расчётным значениям погрешности МК с системой коррекции. Таким образом, заявленный технический результат можно считать достигнутым.Experimental studies of the method and device were carried out using MK "Azimuth KM-05D", the pot which was installed on the stand platform (figure 1). When the bench reproduced yaw angles with a maximum amplitude of 10° in the range of periods from 3 to 140 seconds under the conditions of the magnetic field vector corresponding to St. Petersburg, the RMS values of the dynamic error of the MC with the correction system were obtained, which amounted to 0.3°, which corresponds to the calculated values MK errors with a correction system. Thus, the claimed technical result can be considered achieved.

Claims

1. A method for determining the dynamic error of a magnetic compass with a pitching correction system, which consists in the fact that when the magnetic compass (MC) bowler oscillates along the yaw, an additional magnetic moment acts on it, simulating the effect of ship's magnetic forces caused by pitching, characterized in that the oscillations are reproduced in a given frequency spectrum corresponding to the pitching spectrum, the bowler is additionally affected by a magnetic field with a given vector and intensity corresponding to the operating conditions of the compass, to determine the dynamic error, measurements of the yaw angles of the MC equipped with a correction system, and stand oscillations are performed, by which the spectral densities of these processes are calculated, the spectral density of the dynamic error of the MC is determined and its standard deviation is calculated.

2. A device for implementing a method for determining the dynamic error of a magnetic compass (MK) with a pitching correction system, containing a platform on which the MK bowler is installed, an axis of rotation of the MK card located on the shoulder relative to the axis of rotation of the platform in such a way that when the platform is turned, the bowler approaches to one of the two permanent magnets, each of which is fixed motionless and applies an additional magnetic force to the magnetic system of the MK card, which leads to its additional turn, simulating the effect of the ship's magnetic forces caused by pitching, characterized in that the platform with the MK bowler performs oscillations with a given frequency spectrum, set using a computer with a control unit, while the MK kettle is placed in a constant magnetic field with a vector and strength corresponding to the operating conditions, generated by two pairs of coils located symmetrically with respect to the kettle and connected to a controlled source ohm of current, while the readings of the yaw of the MC and the angular turn reproduced by the stand are recorded by a computer and processed to calculate the values of the dynamic error and its standard deviation.