Гирокомпас с внешней коррекцией

 

Использование: технические средства кораблевождений, в частности гирокомпас с внешней коррекцией для выработки данных курсоуказания судна в широком диапазоне условий плавания. Сущность изобретения: гирокомпас с внешней коррекцией, используя информацию о текущих значениях широты места и составляющих вектора скорости судна, обеспечивает определение курса с повышенной точностью и сокращение времени приведения в меридиан. Это достигается при наличии следующей совокупности существенных признаков: гирокомпас с внешней коррекцией, включающий все элементы основного прибора и прибора коррекции известных гирокомпасов с косвенным управлением ( типа "Вега", ГКУ-1 и др.), а также блок дополнительной коррекции, сопряженный с комплексом судовых навигационных средств и прибором коррекции, и работающий таким образом, что по данным внешней информации и сигналу управление прецессией гироблока формируется сигнал дополнительной коррекции, обеспечивающий приведение оси гироблока к плоскости меридиана и горизонта. 3 ил.

Изобретение относится к области технических средств кораблевождения, предназначено для выработки данных курсоуказания и может быть использовано на кораблях и судах в широком диапазоне условий плавания, в том числе при качке и маневрировании.

Известен гирокомпас "Вега" (см. напр. Обрезумов П.А. Судовые средства связи и электрорадионавигации. М. "Транспорт",1977 г). Гирокомпас "Вега" - малогабаритный, двухрежимный одногироскопный гирокомпас с косвенным управлением. Типовой комплект гирокомпаса включает основной прибор, штурманский пульт, трансляционный прибор, курсограф и др. Основной прибор предназначен для автоматического и непрерывного определения и хранения курса судна. В него входят гироблок, внешний карданов подвес гироблока, элементы следящих систем стабилизации, схемы управления и схемы терморегулирования.

Точность работы гирокомпаса на маневрировании ± 2 градуса, время ускоренного приведения в меридиан 1 ч.

Известен гирокомпас ГКУ-1 (см. "Изделие ГКУ-1 Техническое описание КН 1. 150.020 ТО, МСП, предприятие п/я В-8618,1975). Гирокомпас ГКУ-1 - двухрежимный одногироскопный гирокомпас с косвенным управлением. В нем применен трехстепенной поплавковый гироскоп, связь которого с Землей осуществляется посредством индикатора горизонта, а наложение управляющих моментов на гироскоп производится торсионными датчиками момента посредством следящих приводов.

В состав гирокомпаса входят, в частности, основной прибор с гироскопическим блоком в кардановом подвесе со следящими приводами, индикатором горизонта, датчиками углов и управляющих моментов, и прибор коррекции. Основной прибор предназначен для выработки текущих значений курса судна при использовании сигналов от прибора коррекции.

Прибор коррекции предназначен для выработки сигнала широтноскоростной коррекции для основного прибора. На входы прибора коррекции поступает информация с выходов относительного лага и автопрокладчика. Гирокомпас ГНУ-1 принят в качестве прототипа. Его основные существенные связи и элементы показаны на фиг. 1. Недостатками описанных гирокомпасов являются низкая точность курсоуказания в условиях качки и маневрирования судна и в высоких широтах, а также длительное время подготовки к работе.

Техническим результатом является повышение точности выработки данных курсоуказания в широком диапазоне условий функционирования гирокомпаса и сокращение времени готовности к выдаче информации. Названная цель достигается предлагаемым техническим решением, характеризуемым следующей совокупностью существенных признаков. Гирокомпас с внешней коррекцией, включающий основной прибор с гироскопическим блоком в кардановом подвесе со следящими приводами, индикатором горизонта, датчиками углов и управляющих моментов, прибор коррекции с узлом широтно-скоростной коррекции, и сумматором сигналов широтноскоростной и дополнительной коррекции, блок дополнительной коррекции, который содержит вычислительное устройство, узлы приема сигнала управления прецессией гироскопического блока в азимуте, сигналов внешней информации о текущих значениях широты места, северной и восточной составляющих вектора скорости судна и узел выдачи сигнала дополнительной коррекции, причем входы узлов приема сигналов внешней информации соединены с соответствующими навигационными средствами судна, а выходы с входом вычислительного устройства; вход узла приема сигналов управления соединен с выходом узла широтно-скоростной коррекции, а выход со входом вычислительного устройства, выход которого соединен со входом узла выдачи сигнала дополнительной коррекции, выход же узла выдачи соединен с входом сумматора сигналов широтно-скоростной и дополнительной коррекции, другой вход которого соединен с выходом узла широтно-скоростной коррекции, а выход сумматора сигналов коррекции соединен с датчиком управляющих моментов гироскопического блока.

Приведенному описанию гирокомпаса с внешней коррекцией соответствует структура, показанная на фиг.2. Отличительные от прототипа признаки состоят в наличии блока дополнительной коррекции(5), сумматора сигналов коррекции (4) и соответствующих связей. Введение в схему названных элементов и связей при использовании внешней информации о текущих значениях широты места и составляющих вектора скорости обеспечивает вычисление оценок отклонений гироскопического блока от плоскостей меридиана и горизонта и устранение этих отклонений путем управления процессией гироскопа по каналу передачи сигнала дополнительной коррекции.

Предлагаемое решение позволяет повысить точность курсоуказания в условиях качки и маневрирования до 0,2-0,3 градуса и сократить время подготовки гирокомпаса до 10-15 минут.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 блок-схема гирокомпаса-прототипа; на фиг.2 блок-схема гирокомпаса с внешней коррекцией; на фиг.3 графики сравнительной оценки точности курсоуказания прототипа и гирокомпаса с внешней коррекцией.

Гирокомпас-прототип (фиг. 1) включает основной прибор (1) с гироскопическим блоком в кардановом подвесе со следящими приводами, индикатором горизонта, датчиками узлов и управляющих моментов и прибор коррекции (2) с узлом широтно-скоростной коррекции(3). Гирокомпас с внешней коррекцией включает основной прибор (1), прибор коррекции(2) с узлом широтно-скоростной коррекции (3) и сумматором сигналов коррекции(4) и блок дополнительной коррекции(5), который содержит вычислительное устройство (6), узел приема сигнала управления прецессией гироскопического блока в азимуте (7), узлы приема сигналов внешней информации о текущих значениях широты места (8), восточной составляющей скорости (9), северной составляющей скорости (10) и узел выдачи сигнала дополнительной коррекции (11).

Предлагаемый гирокомпас с внешней коррекцией действует следующим образом. Для обеспечения функционирования гирокомпаса на вход основного прибора с выхода прибора коррекции подаются сигналы управления прецессией гироблока, представляющие собой управляющие моменты, действующие относительно вертикальной и горизонтальной осей гироскопа (Мв, Мг). Управляющие моменты пропорциональны составляющим угловой скорости вращения горизонтально-географического трехгранника M_ζηζ и зависят от ускорения а_у, воспринимаемого индикатором горизонта. Они вычисляются по данным судовой навигационной аппаратуры и индикатора горизонта в соответствии с формулами Поскольку в общем случае ось собственного вращения гироскопа отклонена от плоскости меридиана и горизонта на малые углы α и b, сигнал индикатора горизонта а_у можно представить в виде a_y= W_η+W_ζβ-W_ζα, (2) где W_ζ, W_η, W_ζ составляющие ускорения вдоль соответствующих осей горизонтально-географического трехгранника M_ζηζ.

При использовании внешней информации о текущих значениях широты и составляющих вектора скорости, вырабатываемых, например, спутниковой навигационной аппаратурой космических навигационных систем (КНС) "ГЛОНАСС" (СНГ) или "Навстар"(США), можно сформировать сигналы внешней коррекции Вычитая из (1) с учетом (2) выражения (3), получим разности Эти разности содержат информацию об отклонениях гироскопа a и β, что позволяет осуществить коррекцию положений гироблока по измерениям Dw_ζ, Δω_ζ.

В предлагаемом гирокомпасе с внешней коррекцией формирование корректирующего сигнала (сигнала дополнительной коррекции) осуществляется в блоке дополнительной коррекции (5). Внешняя информация о текущих значениях широты v и составляющих вектора скорости V_E, V_H поступает на входы узлов приема сигналов внешней информации (8,9,10). Сигнал, содержащий информацию об отклонениях гироскопа , поступает на вход узла приема (7). Выходы узлов приема информации (7,8,9,10) соединены со входами вычислительного устройства (6), где непосредственно формируется сигнал дополнительной коррекции ( M_k), суммируемый с сигналом широтно-скоростной коррекции (M^*_В) в сумматоре (4) прибора коррекции (2). Выдача сигнала дополнительной коррекции осуществляется узлом (11). Алгоритм формирования сигнала дополнительной коррекции решает задачи вычисления оценок отклонений оси гироскопа от плоскости меридиана и горизонта и формирования управляющего сигнала M_k.

В качестве алгоритма для вычисления оценок может быть использовано векторное уравнение вида где оценка вектора погрешностей;
Z сигнал измерений, формируемый в соответствии с (4);
оценка сигнала измерений;
A матрица динамики гирокомпаса;
k векторный коэффициент усиления алгоритма.

В вычислительном устройстве (5) блока дополнительной коррекции векторное уравнение (5) может быть реализовано системой дифференциальных уравнений для оценок отклонений оси гироскопа относительно плоскости меридиана и горизонта

где a_ζ, a_η приращения текущих значений составляющих скорости обьекта, вырабатываемые по данным внешней информации за время шага решения;
а_е ускорение силы тяжести;
w_h горизонтальная северная cоставляющая угловой скорости вращения горизонтально-географической системы осей;
K₁, K₂ параметры каналов управления прецессией гироскопа; A, B члены коррекции оценок.

В процессе вычисления оценок формируется оценка погрешности вертикальной составляющей скорости прецесии в виде

По данным внешней информации и по сигналу формируется разность , где . Paзность используется для непрерывной коррекции текущих значений оценок путем формирования членов
в правых частях уравнений (6). Коэффициенты K_A и K_B вычисляются из условия обеспечения требуемых динамических свойств алгоритма оценивания.

Полученные в процессе работы алгоритма (6) оценки используются для формирования сигнала дополнительной коррекции

где коэффициенты m_α и m_β вычисляются из условия обеспечения требуемых динамических свойств корректируемого гирокомпаса. Таким образом, достигается устойчивость работы гирокомпаса с внешней коррекцией.

Реализация алгоритма формирования сигнала дополнительной коррекции осуществляется вычислительным устройством произвольного вида. Здесь возможно использование программируемого многофункционального вычислителя. Приведенные математические выражения (6), (8) свидетельствуют о его реализуемости на элементах существующих вычислительных устройств.

Узлы ввода-вывода информации могут быть построены таким образом, чтобы осуществлять сопряжение на базе стандартизированных сигналов (типа NMEA0183, RS232, RS422 и др.)
Конструктивное выполнение сумматора сигналов (4) произвольно и зависит от конструкции прибора коррекции (2) совершенствуемого гирокомпаса.

Эффективность функционирования предлагаемого гирокомпаса с внешней коррекцией подтверждается результатами математического моделирования процесса коррекции в условиях качки судна (фиг.3). На фиг. 3 показаны графики изменения отклонений оси гироскопа α и b при работе гироскопа по предлагаемой схеме.

При отсутствии внешней коррекции отклонение гироскопа в азимутальной плоскости a (верхняя сплошная линия) достигает 10 угл.минут и изменяется в соответствии с периодом колебаний гирокомпаса. При использовании внешней информации для вычисления оценок и формировании сигнала дополнительной коррекции Мк начальные отклонения оси гироскопа асимптотически затухают (нижняя сплошная линия a_к и штрихпунктирная линия β)). Алгоритмом оценивания непрерывно вычисляются оценки текущих значений углов α_к и β (штриховая и пунктирная линии. ) Колебательный характер оценок объясняется погрешностью внешней информации о составляющих скорости, которая достигает величины s_v 5 см/с. Несмотря на значительный разброс текущих-значений оценок наблюдается эффективное затухание начальных отклонений оси гироскопа. При этом погрешности оценивания интенсивно сглаживаются в канале управления гироскопом, что способствует достижению высокой точности работы гирокомпаса.

Результаты математического моделирования показывают, что кроме повышения точности, достигается сокращение времени начальной выставки гироскопа в плоскость меридиана. Выбор соответствующих параметров алгоритма оценивания и сигнала дополнительной коррекции обеспечивает требуемое время затухания начальных отклонений гироскопа. Результаты исследования показывают достижимость времени выставки 10-15 минут при точности выше одной десятой градуса.

Формула изобретения

Гирокомпас с внешней коррекцией, содержащий трехстепенной поплавковый гироскопический блок с гиросферой, датчиками момента и угла и индикатором горизонта, установленный в двухосном кардановом подвесе, оснащенном следящими приводами на обеих осях, и узел широтно-скоростной коррекции, причем датчики угла гироблока через усилители соединены с двигателями следящих приводов, а индикатор горизонта и датчик угла на вертикальной оси соединены с узлом широтно-скоростной коррекции, выходы которого соединены с входами следящих приводов, отличающийся тем, что оно снабжено блоком дополнительной коррекции, который содержит вычислительное устройство, и сумматором сигналов широтно-скоростной и дополнительной коррекции, причем входы блока дополнительной коррекции соединяются с выходами судовых датчиков широты, северной и восточной составляющих вектора путевой скорости и выходом узла широтноскоростной коррекции, обеспечивающим наложение момента относительно горизонтальной оси гиросферы, а выход блока дополнительной коррекции соединен с входом сумматора сигналов широтно-скоростной и дополнительной коррекции, другой вход которого соединен с выходом узла широтно-скоростной коррекции, обеспечивающим наложение момента относительно вертикальной оси гидросферы, а выход сумматора сигналов коррекции соединен с входом следующего привода, осуществляющего наложение момента относительно вертикальной оси гиросферы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3