Способ калибровки гироскопических измерителей угловой скорости
Патент 2156959
Авторы
Классы МПК
Способ калибровки гироскопических измерителей угловой скорости
Реферат
Изобретение относится к навигации. Техническим результатом является повышение точности калибровки гироскопов на этапе начальной подготовки инерциальной навигационной системы. Инерциальную курсовертикаль с жестко размещенными на ней гироскопическими измерителями угловой скорости и акселерометрами принудительно вращают относительно трех осей без использования гироскопической стабилизации. Из выходных сигналов гироскопов, акселерометров и датчиков углов формируют сигналы, пропорциональные позиционной и интегральной составляющим горизонтальных компонент кажущегося ускорения и гироскопического курса для построения контура калибровки. Определяют дрейф гироскопов, ошибки масштабных коэффициентов, ошибки асимметрии масштабных коэффициентов и перекосы осей чувствительности гироскопов при объединении их в блок.
Изобретение относится к навигации и предназначено, в частности, для калибровки гироскопов инерциальных навигационных систем на этапе начальной подготовки.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту является способ калибровки гироскопов инерциальной навигационной системы, в котором измеряется отклонение гиростабилизированной платформы от плоскости горизонта с помощью датчиков акселерометров, измеряется отклонение гиростабилизированной платформы по курсу с помощью датчика угла, на моментные датчики гироскопов подаются сигналы, пропорциональные позиционной и интегральной составляющей горизонтальных компонент кажущегося ускорения и гироскопического курса для построения контура калибровки и определяются дрейфы гироскопов [1]. Недостатком данного способа является невозможность определения мультипликативных составляющих погрешностей гироскопов, что снижает точность калибровки. Технической задачей изобретения является повышение точности калибровки гироскопов за счет применения расширенной модели погрешностей гироскопов и принудительного вращения курсовертикали относительно трех осей. Решение технической задачи или сущность изобретения заключается в том, что в способ калибровки гироскопов инерциальной навигационной системы, в котором измеряется отклонение гиростабилизированной платформы от плоскости горизонта с помощью датчиков акселерометров, измеряется отклонение гиростабилизированной платформы по курсу с помощью датчика угла, на моментные датчики гироскопов подаются сигналы, пропорциональные позиционной и интегральной составляющей горизонтальных компонент кажущегося ускорения и гироскопического курса для построения контура калибровки и определяются дрейфы гироскопов, введены новые операции, заключающиеся в том, что инерциальную курсовертикаль с жестко расположенными на ней гироскопами и акселерометрами принудительно вращают относительно трех строительных осей объекта без использования гироскопической стабилизации, измеряют абсолютные угловые скорости вращения курсовертикали с помощью гироскопов и для определения основных составляющих погрешностей гироскопов используют следующую математическую модель калибровки: ag= []ag+Aa1; где = [123]T - ошибки вычисления углов ориентации; - кососимметрическая матрица, составленная из проекций угловой скорости вращения Земли на оси нормальной земной системы координат; - матрица направляющих косинусов пересчета из нормальной земной системы координат в систему координат, связанную с осями чувствительности гироскопов; 1= [x1y1z1]T - вектор погрешностей гироскопов; - вектор дрейфов гироскопов; 1,2,3,4,5,6 - перекосы осей чувствительности гироскопов; kx1,ky1,kz1 - ошибки масштабных коэффициентов гироскопов; - ошибки асимметрии масштабных коэффициентов гироскопов; 1= [x1y1z1]T - вектор абсолютной угловой скорости вращения курсовертикали; y = [y1y2y3]T,z = [z1z2z3]T, - векторы ошибок корректирующих сигналов y1= k1azg,y2= k3г,y3= k5axg; k1, k3, k5, k' = [k2k4k6] - коэффициенты обратной связи; ag= [axgaygazg]T - вектор ошибок вычисления ускорения в нормальной земной системе координат; ag = [axgaygazg]T - вектор ускорений в нормальной земной системе координат; a1= [ax1ay1az1]T - вектор погрешностей акселерометров; г - ошибка вычисления гироскопического курса; ,, - углы курса, тангажа и крена; 2,3 - погрешности датчиков углов. Наличие новых действий в способе калибровки гироскопов позволяет повысить точность калибровки с сохранением полной автономности указанного процесса за счет совокупности существенных отличительных признаков: 1) измерения абсолютной угловой скорости с помощью гироскопических датчиков угловой скорости; 2) использования принудительного вращения инерциальной курсовертикали относительно трех строительных осей без использования гироскопической стабилизации; 3) использования математической модели погрешностей гироскопов, учитывающей ошибки масштабных коэффициентов, ошибки асимметрии масштабных коэффициентов и перекосы осей чувствительности гироскопов при объединении их в блок. Сравнение предложенного технического решения с его прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень". Предложенное техническое решение может быть использовано в науке и технике, что обеспечивает соответствие его критерию "промышленная применимость". Способ заключается в следующем. Известно [2] , что для вычисления параметров ориентации курсовертикали относительно нормальной земной системы координат используется обобщенное уравнение Пуассона: - кососимметричная матрица, составленная из угловых скоростей, измеряемых гироскопами. Для обеспечения устойчивости переходного процесса уравнение (1) может быть изменено следующим образом: - кососимметричные матрицы, составленные из корректирующих сигналов обратной связи. В качестве корректирующих сигналов выбраны следующие функции: где г - гироскопический курс: axg azg - ускорения по осям нормальной земной системы координат, определяемые по формуле: ag = Aa1 (4), где a1=[ax1ay1az1]T - вектор ускорений, измеряемых акселерометрами. Коэффициенты k1, k2, k3, k4, k5 и k6 выбираются из условия устойчивости контура калибровки и минимизации ошибок оценивания погрешностей гироскопов. Сигнал гироскопического курса может быть получен следующим образом: - матрица направляющих косинусов пересчета из системы координат, связанной с осями чувствительности гироскопов в систему координат, связанную со строительными осями объекта; 1,2,3 - углы поворота системы координат, связанной с осями чувствительности гироскопов относительно системы координат, связанной со строительными осями объекта; - матрица направляющих косинусов пересчета из системы координат, связанной со строительными осями объекта в нормальную земную систему координат, d11, d31 - элементы матрицы D. Для получения математической модели калибровки проварьируем выражения (2): Сделаем замену переменных A = []A, - кососимметричная матрица, составленная из ошибок вычисления углов ориентации. Тогда выражение (6) можно переписать следующим образом: Умножим левую и правую части выражения (7) на AT справа. Тогда получим: Так как A1= g и опорное значение z = g/ , то выражение (8) можно переписать в виде: Можно показать, что [][g]-[g][] = -[[g]] С учетом этого выражение (9) примет вид: или Проварьировав уравнения для z1, z2 и z3 из системы (3) и преобразовав их из интегральной формы в дифференциальную, получим: Далее проварьируем соотношения (4) и (5). После варьирования выражения (4) и несложных преобразований получим: ag= []ag+Aa1. (13) После варьирования выражения (5) и замены переменных: A = []A,D = []D,A1= A1[], - кососимметричная матрица, составленная из погрешностей датчиков углов; здесь = +D. (14) Значения ошибок углов ориентации объекта ,, связаны со значениями 1,2,3 следующими соотношениями [2]: Подставив в первую формулу (15) значения 1,2,3 из (14) и после несложных преобразований, получим: Систематические погрешности гироскопов можно представить в виде [3]: Для обеспечения наблюдаемости всех составляющих погрешностей гироскопов в формулах (17) необходимо осуществлять вращение курсовертикали относительно строительных осей объекта с постоянными угловыми скоростями. В этом случае проекции абсолютной угловой скорости вращения курсовертикали на оси чувствительности гироскопов будут иметь вид: где x,y,z - проекции угловой скорости вращения Земли на строительные оси объекта: - угловые скорости вращения курсовертикали относительно строительных осей объекта. С помощью математической модели калибровки, описываемой выражениями (11), (12), (13), (16) и (17) можно построить оптимальный фильтр Калмана, который будет оценивать составляющие погрешностей гироскопов . Для обеспечения наблюдаемости всех составляющих погрешностей гироскопических измерителей угловой скорости оптимальным фильтром в качестве наблюдений необходимо выбрать ошибки корректирующих сигналов z1,z2z3. Источники информации 1. Авиационные приборы и навигационные системы / Под ред. О.А. Бабича.- М.: Издание ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1981.- стр. 525-529. (прототип) 2. Бромберг П. В. Теория инерциальных систем навигации. - М.: Наука, 1979. - 296 с. 3. Иванов М. Н., Лебеденко О.С., Сельвесюк Н.И., Шепеть И.П. Математическая модель возмущений инерциальной навигационной системы с автокомпенсацией погрешностей. М. : ЦВНИИ МО РФ, 1997. - Деп. В ЦСИФ МО РФ. Сер. Б. Вып. N40. инв. В3307. - 11 с.Формула изобретения
Способ калибровки гироскопических измерителей угловой скорости, включающий измерение выходных сигналов акселерометров и датчиков углов пространственного положения курсовертикали относительно объекта, формирование сигналов, пропорциональных позиционной и интегральной составляющим горизонтальных компонент кажущегося ускорения и гироскопического курса для построения контура калибровки, отличающийся тем, что инерциальную курсовертикаль с жестко закрепленными на ней гироскопическими измерителями угловой скорости и акселерометрами принудительно вращают относительно трех строительных осей объекта без использования гироскопической стабилизации, измеряют абсолютные угловые скорости вращения курсовертикали с помощью гироскопов и определяют дрейфы гироскопов, ошибки масштабных коэффициентов, ошибки асимметрии масштабных коэффициентов и перекосы осей чувствительности гироскопов, используя следующую математическую модель калибровки ag= []ag+Aa1; где = [23]T - ошибки вычисления углов ориентации; - кососимметрическая матрица, составленная из проекции угловой скорости вращения Земли на оси нормальной земной системы координат; - матрица направляющих косинусов пересчета из нормальной земной системы координат в систему координат, связанную с осями чувствительности гироскопов; 1= [x1y1z1]T - вектор погрешностей гироскопов; - вектор дрейфов гироскопов; 1,2,3,4,5,6 - перекосы осей чувствительности гироскопов; kx1,ky1,kz1 - ошибки масштабных коэффициентов гироскопов; - ошибки асимметрии масштабных коэффициентов гироскопов; 1= [x1y1z1]T - вектор абсолютной угловой скорости вращения курсовертикали; y = [y1y2y3]T,z = [z1z2z3]T, - векторы ошибок корректирующих сигналов y1= k1azg,y2=k3г,y3=k5axg;; k1, k3, k5, k' = [k2, k4, k6] - коэффициенты обратной связи; ag= [axgaygazg]T - вектор ошибок вычисления ускорения в нормальной земной системе координат; ag = [axgaygazg]T - вектор ускорения в нормальной земной системе координат; a1= [ax1ay1az1]T - вектор погрешностей акселерометров; г - ошибка вычисления гироскопического курса; ,, - углы курса, тангажа и крена; 2,3 - погрешности датчиков углов.