Способ определения азимута

Способ определения азимута

Реферат

 

Изобретение позволяет повысить точность определения азимута методом изменения величины кинетического момента гироскопического датчика угловой скорости (ДУС) без необходимости использования прецизионного гироскопа с магнитоэлектрическим двигателем вместо традиционного гироскопа с синхронным гистерезисным двигателем. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе измерений выходного сигнала ДУС как при одной, так и при другой величине кинетического момента, в том числе в процессе предварительной калибровки изменения собственной скорости дрейфа ДУС от изменения величины кинетического момента, осуществляют импульсное перевозбуждение синхронного гистерезисного двигателя.

Изобретение относится к области измерения азимута (т.е. определения направления на истинный северный полюс Земли) и может быть использовано для навигационных и топографических целей.

Известен способ определения азимута датчиком угловой скорости (ДУС) [1] заключающийся в вычислении азимута объекта по выходному сигналу, жестко связанного с объектом ДУС: A arccos(S/k _h), (1) где A азимут оси чувствительности ДУС; S выходной сигнал ДУС; k масштабный коэффициент ДУС; _h горизонтальная составляющая суточного вращения Земли.

Формула (1) приведена для случая горизонтальной оси чувствительности ДУС. Очевидно, что горизонтальность оси чувствительности не является обязательным требованием, и для нахождения азимута нужно лишь знать угол возвышения оси чувствительности над плоскостью горизонта: A arccos(S/k _h+ _v / _h sin ), (2) где _v вертикальная составляющая вращения Земли.

Достоинством указанного способа является простая кинематическая схема его реализации (ДУС жестко связан с объектом, т.е. нет необходимости в каких-либо поворотных устройствах).

Однако способ имеет тот недостаток, что любой реальный ДУС, в том числе прецизионный ДУС на базе двухстепенного гироскопа с синхронным гистерезисным гиродвигателем, обладает собственной скоростью дрейфа _d, которая приводит к погрешности определения азимута A=_d / _h sin A. Известно, что величина скорости дрейфа может быть измерена заранее (откалибрована) по результатам испытаний ДУС и затем использована с целью компенсации вносимой погрешности определения азимута, однако для этого необходима высокая стабильность скорости дрейфа от запуска к запуску. В существующих гироскопах указанная нестабильность достигает величины 0,1 "/с и более, что приводит к неприемлемо большой погрешности определения азимута (например, на широте г. Москвы в случае ориентации оси чувствительности примерно перпендикулярно плоскости меридиана указанная погрешность составляет (0,1 "/c)/(8,49 "/с) 0,0118 рад 40 дуг. мин).

Известен способ стабилизации характеристик (в том числе и скорости дрейфа) гироскопа с синхронным гистерезисным гиродвигателем путем импульсного перевозбуждения ротора гиродвигателя подачей низкочастотных перемагничивающих импульсов тока по цепям статора [2] Однако импульсное перевозбуждение не в состоянии повысить стабильность от запуска к запуску составляющих скорости дрейфа, пропорциональных ускорению.

Таким образом, указанный выше способ определения азимута гироскопическим ДУС с синхронным гистерезисным гиродвигателем даже при использовании калибровки собственной скорости дрейфа в сочетании со стабилизацией характеристик гиродвигателя путем его импульсного перевозбуждения не обеспечивает высокой точности, особенно при наклонном положении оси чувствительности и (или) оси прецессии, когда велико влияние нестабильности составляющих скорости дрейфа, зависящих от ускорения.

Известен способ определения азимута путем измерения выходных сигналов ДУС при различных азимутальных положениях, достигаемых поворотом корпуса гироблока относительно объекта. В этом случае погрешность определения азимута зависит уже от нестабильности собственной скорости дрейфа ДУС _d в одном и том же запуске, которая, как правило, на один-два порядка меньше соответствующей нестабильности от запуска к запуску. В результате погрешность определения азимута A значительно уменьшается. Например, при повороте гироскопа на 180^о вокруг оси прецессии A _d/2 _h и на широте г. Москвы при _d 0,002 "/с погрешность A составляет (0,002"/с)/(2 8,49 "/c) 0,000118 25''.

Однако указанный способ имеет тот недостаток, что для его реализации необходимо использование прецизионных и, следовательно, дорогостоящих поворотных устройств, применение которых в ряде случаев с жесткими габаритными ограничениями вообще невозможно.

Известен способ повышения точности определения азимута методом изменения кинетического момента, заключающийся в замене традиционного гироскопа на гироскоп принципиально новой конструкции с магнитоэлектрическим гиродвигателем.

Однако такой подход сложен и дорог, поскольку для создания указанного гироскопа необходима разработка специальных технологий и принципиально нового источника питания гиродвигателя.

Известен также способ определения азимута, не требующий поворотов ДУС относительно объекта и заключающийся в том, что изменения выходного сигнала ДУС производят при двух значениях кинетического момента гироскопа, вычисляя азимут по формуле A arccos[(S₁ S₂) K_m/ _h(H₁ H₂)] (3) где S₁ и S₂ выходные сигналы ДУС соответственно при кинетических моментах Н₁ и Н₂; K_m H₁/1 H₂/2.

Формула (3) приведена для случая равенства возмущающих моментов Мв1 и Мв2 при кинетических моментах Н1 и Н2. На практике эти возмущающие моменты не равны друг другу. Нетрудно показать, что в этом случае азимут вычисляется по формуле: A arccos[(S₁ S₂) K_m/ _h(H₁ H₂) _d/ _h] (4) где _d (М_в1/Н₁ М_в2/Н₂/(H₁ H₂) есть приведенное изменение собственной скорости дрейфа ДУС при изменении величины кинетического момента.

Если указанное изменение собственной скорости дрейфа все время постоянно, то оно может быть включено в выражение для определения азимута как известная величина (так называемая Н -константа) (см. Bouchard I.R. and Ray R.E. The Reality of Wheel Speed Modulation, A collection of Technical Papers AIAA Guidance and Control Conference, New Mexico, USA, August 19-21, 1981, p. 217-222), принятый за ближайший аналог.

Однако, на практике при использовании традиционного синхронного гистерезисного гиродвигателя условие постоянства Н-константы не выполняется, поскольку намагниченность гистерезисного кольца двигателя сильно меняется при каждом новом вхождении в режим синхронизма (по существу так, как это имеет место при новых запусках). В результате нестабильность Н-константы достигает уровня нестабильности скорости дрейфа от запуска к запуску. Поэтому указанный метод определения азимута с использованием традиционного гироскопа с синхронным гистерезисным двигателем имеет точность, на один-два порядка уступающую точности метода вращения корпуса гироскопа в одном запуске.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения азимута методом изменения кинетического момента ДУС, построенного на базе традиционного гироскопа с синхронным гистерезисным двигателем. Поставленная задача обеспечивается тем, что заранее измеряют изменение собственной скорости дрейфа при изменении кинетического момента с одной величины на другую (т. е. калибруют Н-константу) и определяют азимут путем измерения выходного сигнала ДУС при одной величине кинетического момента, изменения скорости вращения гиродвигателя, измерения выходного сигнала ДУС при другой величине кинетического момента и вычисления азимута по разности указанных сигналов с учетом откалиброванного значения Н-константы, при этом все указанные выше измерения выходного сигнала ДУС при одной величине кинетического момента и при другой величине кинетического момента, в том числе в процессе калибровки Н-константы, производят с импульсным перевозбуждением синхронного гистерезисного гиродвигателя.

Сочетание известных приемов, а именно сочетание изменения кинетического момента с импульсным перевозбуждением гиродвигателя, позволяет получить новый технический результат в виде повышения точности определения азимута датчиком угловой скорости, жестко связанным с объектом и построенным на базе традиционного гироскопа с синхронным гистерезисным двигателем. При этом указанный технический результат обусловлен ранее неизвестным свойством импульсного перевозбуждения стабилизировать изменение собственной скорости дрейфа гироскопа с синхронным гистерезисным двигателем, имеющее место при изменении кинетического момента с одной величины на другую (т.е. стабилизировать Н-константу традиционного гироскопа). Импульсное перевозбуждение может быть как разовым и предшествовать каждому измерению выходного сигнала ДУС, так и периодическим и осуществляться непосредственно в процессе каждого измерения. Более предпочтительным является периодическое импульсное перевозбуждение, применение которого дополнительно дает известные положительные эффекты, например, демпфирование качаний ротора гиродвигателя.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими сведениями.

С целью подтверждения высокого постоянства Н-константы, достигаемого за счет импульсного перевозбуждения, были проведены сравнительные испытания прецизионного двухстепенного поплавкового гироскопа с синхронным гистерезисным двигателем и газодинамической опорой ротора, в процессе которых измерялась величина Н-константы вначале без импульсного перевозбуждения, а затем с периодическим импульсным перевозбуждением гиродвигателя. Кинетический момент изменялся с Н₁ 500 Г см с на Н₂ 250 Гx xсм с путем соответствующего переключения частоты и напряжения трехфазного питания (с 27 В, 1000 Гц на 13 В, 500 Гц). Импульсное перевозбуждение осуществлялось подачей в одну из фаз статора импульсов со следующими параметрами: При Н₁ При Н₂ Амплитуда импульсов, В 105 90 Длительность импульса, мкс 128 256 Частота следова- ния импульсов, Гц 31,5 15,7 Фаза относи- тельно основного напряжения, град 120 120 Измерения Н-константы многократно проводились как при вертикальной оси прецессии и горизонтальной оси чувствительности гироскопа, так и при горизонтальных осях прецессии и чувствительности, т.е. измерялись Н-константа, не зависящая от ускорения, и Н-константа, зависящая от ускорения вдоль оси собственного вращения гироскопа. В обоих случаях было получено, что при импульсном перевозбуждении нестабильность Н-константы не превысила 0,002 "/c, тогда как при отсутствии импульсного перевозбуждения указанная нестабильность достигала 0,05 "/c. Очевидно, что нестабильность Н-константы характеризует достижимую точность калибровки этого параметра и, в конечном итоге, погрешность измерения азимута. Указанную погрешность можно оценить, подставив в формулу (4) вместо Н-константы, достигнутую величину ее нестабильности. Как видно, погрешность определения азимута методом изменения кинетического момента с импульсным перевозбуждением синхронного гистерезисного гиродвигателя составляет (на широте г. Москвы при ориентации оси чувствительности близко к перпендикуляру к плоскости меридиана) (0,002"/c)/(8,49 "/c) 0,000236 рад 50''.

Таким образом, предложенный способ позволяет определять азимут с достаточно высокой точностью, соизмеримой с точностью традиционного метода, предполагающего прецизионный поворот корпуса гироскопа относительно объекта. При этом предложенный способ не нуждается ни в прецизионных и, следовательно, дорогостоящих поворотных устройствах (применение которых в ряде случаев вообще невозможно в силу жестких габаритных ограничений), ни в принципиально новом гироскопе с магнитоэлектрическим двигателем.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЗИМУТА, заключающийся в измерении выходного сигнала датчика угловой скорости с синхронным гистерезисным гиродвигателем при одной величине кинетического момента, изменении скорости вращения ротора гиродвигателя, измерении выходного сигнала при другой величине кинетического момента и вычислении азимута по разности указанных сигналов с учетом заранее откалиброванного постоянного изменения собственной скорости дрейфа от изменения кинетического момента с одной величины на другую, отличающийся тем, что осуществляют импульсное перевозбуждение синхронного гистерезисного гиродвигателя в процессе измерений выходного сигнала как при одной, так и при другой величине кинетического момента, в том числе и при проведении калибровки постоянного изменения собственной скорости дрейфа.