Способ ориентации полярного электростатического гироскопа корабельной навигационной системы

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в составе навигационных комплексов. Ориентируют ротор полярного электростатического гироскопа корабельной навигационной системы в положение, когда его видимое движение минимально, т.е. движение ротора в абсолютной системе координат, вызванное уводящими моментами, и переносное движение за счет вращения Земли были равны и противоположны по знаку. Такая ориентация ротора полярного гироскопа повышает точность выработки навигационных параметров навигационной системы, построенной на электростатических гироскопах. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в составе навигационных комплексов.

Рассматривается корабельная навигационная система, построенная на двух электростатических гироскопах (ЭСГ) с карданным съемом информации об угловом положении векторов кинетического момента (ВКМ) роторов ЭСГ относительно объекта (корабля). Обычно в навигационной системе, построенной на ЭСГ, начальное направление ВКМ устанавливается следующим: одного - по оси Мира (полярный ЭСГ), второго - в плоскости Земного экватора (экваториальный ЭСГ) (см. В.З.Гусинский и др. «Использование информационной избыточности в инерциальных навигационных системах на свободных гироскопах». Сб. докладов на III Санкт-Петербургской конференции по интегрированным навигационным системам, 1996 г.)

С целью уменьшения ошибок определения навигационных параметров ВКМ ротора полярного ЭСГ необходимо ориентировать таким образом, чтобы в системе координат, связанных с Землей, его видимое движение было минимальным (выставлять в равновесное положение положение, при котором движение ВКМ ротора в абсолютной системе координат, вызванное уводящими моментами, и переносное движение ЭСГ за счет вращения Земли были равны друг другу и противоположны по направлению).

Для математического обоснования необходимости минимизации видимого движения ВКМ ротора полярного ЭСГ рассмотрим движение ВКМ ротора ЭСГ от действия на ротор корпусного момента и момента от осевого дисбаланса ротора.

Введем правую систему координат 0ξηζ, связанную с Землей с центром в центре камеры чувствительного элемента гироскопа. Ось 0ζ направлена по оси вращения Земли, ось 0ξ - в плоскости Земного меридиана, правую систему координат 0XYZ, связанную с ротором гироскопа, но не участвующую в его вращении (оси Резаля). Ось 0Z направим по оси вращения ротора, ось 0Х в начальный момент направлена по оси 0ξ. Оси 0XYZ развернем на малые углы γ и β (фиг.1).

Вектор уводящего корпусного момента Мк расположен в плоскости 0XY. Обозначим его проекции на оси 0Х и 0Y Мкх и Мку соответственно (фиг.1). Вектор уводящего момента MG от осевого дисбаланса ротора (в рассматриваемом случае учитывается момент от силы тяжести, т.к. ускорение силы тяжести на порядок больше других ускорений, действующих на объект (корабль)). Вектор MG перпендикулярен плоскости меридиана, в котором расположена сила тяжести, действующая на ротор (фиг.1). ВКМ ротора, Н, направлен по оси 0Z; скорость вращения Земли, Ω, - по оси 0ζ (фиг.1).

Прецессионные уравнения движения ВКМ ротора гироскопа в системе 0ξηζ с учетом малости углов γ и β согласно фиг.1 имеют вид:

где m0, n0 и n1 - коэффициенты модели ухода (КМУ); , ,

Решение системы уравнений (1) имеет вид

где β0 и γ0 - значения β и γ при t=0.

Зная значения β0, γ0, n0, m0 и n1 при ϕ=ϕ00 - широта места), можно определять из (1) или (2) текущее положение ВКМ ротора полярного гироскопа.

Определение величин КМУ производится известными методами при работе гироскопа в составе гиросистемы (калибровка системы). Время работы гиросистемы для определения КМУ не менее суток при постоянной или маломеняющейся широте места.

Как видно из уравнений (1) и (2), в этом случае невозможно разделить параметры n0 и n1. Поэтому в математическую модель, решающую систему (1), вводится коэффициент

определяемый при калибровке системы.

Тогда расчетная система уравнений (1) при ϕ=ϕ0 примет вид:

где βp, γP - расчетные координаты ВКМ ротора.

Из (4)

Разница истинных и расчетных значений координат ВКМ ротора (ошибка определения координат из-за невозможности разделения коэффициентов n0, n1) получается вычитанием (5) из (2) при допущении, что

Как видно из (7), Δβ и Δγ линейно зависят от времени и приводят при эксплуатации гироскопа к недопустимым погрешностям.

Если известно положение ВКМ полярного гироскопа, при котором его видимое движение отсутствует - равновесное положение (положение, при котором движение ВКМ ротора в абсолютной системе координат, вызванное уводящими моментами, и переносное движение гироскопа за счет вращения Земли равны друг другу и противоположны по направлению), то при этом положении ВКМ ротора ошибки Δβ=Δγ=0.

Действительно, из (2), с учетом (6) при

Известен способ ориентации ВКМ ротора ЭСГ, применяемый для определения погрешностей ЭСГ. (Патент РФ №2193162). ЭСГ содержит демпфирующую катушку, используемую для гашения нутационных колебаний ротора и приведения оси вращения ротора в заданное направление. Магнитная ось катушки направлена по оси симметрии корпуса гироскопа. В состав гироскопа входит двухкоординатный оптический датчик, ось чувствительности которого направлена по оси симметрии корпуса гироскопа. Способ включает установку ЭСГ в гиростабилизатор, управляемый оптико-электронными следящими системами от сигналов датчика угла ЭСГ, выведение ЭСГ и гиростабилизатора в рабочий режим, определение равновесного положения ВКМ ротора, выключение следящих систем гиростабилизатора, разворот колец гиростабилизатора таким образом, чтобы ось корпуса ЭСГ была ориентирована в направлении равновесного положения ВКМ ротора, включение демпфирующей катушки на время, достаточное для приведения ВКМ ротора в соосное положение с осью корпуса, выключение демпфирующей катушки, включение следящих систем гиростабилизатора. Данный способ принимается за прототип.

Однако способ, описанный в прототипе, не применим для использования на движущемся объекте (корабле), т.к. требует выключения следящих систем, управляемых карданными кольцами гиростабилизатора, что при качке и изменении курса приводит в общем случае к неоднозначности взаимного положения осей ротора и демпфирующей катушки и, как следствие, к ошибке ориентации ВКМ ротора полярного ЭСГ.

Задачей изобретения является повышение точности ориентации полярного ЭСГ корабельной навигационной системы. Поставленная задача решается тем, что ориентация полярного ЭСГ корабельной навигационной системы проводится без выключения оптико-электронных следящих систем карданного подвеса навигационной системы и введением в оптико-электронную следящую систему одной из координат смещения нуля. При включенных следящих системах рассогласование между осью демпфирующей катушки и ВКМ ротора гироскопа не зависит от амплитуды углов качки и изменения курса, тогда как при выключенных следящих системах качка корабля будет изменять с периодом качки взаимное положение ВКМ ротора гироскопа и оси демпфирующей катушки, что при амплитудах углов качки, превышающих углы разворота карданных колец согласно требованиям прототипа, не даст возможности проведения ориентации ВКМ гироскопа.

Смещение нуля следящей системы позволяет рассогласовать ось демпфирующей катушки с ВКМ ротора без разворота карданных колец.

ЭСГ корабельной навигационной системы содержит демпфирующую нутационные колебания ротора ЭСГ и приводящую к оси симметрии корпуса ЭСГ катушку. Корпус ЭСГ установлен в систему автокомпенсации с осью, совпадающей с осью корпуса ЭСГ. ЭСГ с системой автокомпенсации установлен в двухосный карданный подвес. Кольца гироориентатора управляются от сигналов двухкоординатной оптико-электронной системы слежения за угловым положением оси ротора гироскопа. Ось ротора при выходе на рабочий режим гироскопа ориентирована близко к направлению оси Мира.

Последовательность операций предлагаемого способа ориентации полярного гироскопа:

- приведение гироориентатора в рабочий режим;

- определение направления оси симметрии корпуса гироскопа, при котором видимое движение этой оси в системе координат, связанной с Землей, минимально и характеризуется углами α и β, где α и β - углы в ортогональной системе координат, связанных с Землей, отсчитываемые в плоскости, перпендикулярной оси Мира, при установке оси корпуса на которые видимое движение оси корпуса минимально. Угол α лежит в плоскости Земного меридиана;

- введение в оптико-электронную систему одной из координат смещение нуля на угол, близкий к середине линейного участка измерения угла рассогласования между осью симметрии корпуса гироскопа и нулем следящей системы;

- выключение системы автокомпенсации при достижении угла поворота корпуса гироскопа равного , где γ - угол, отсчитываемый от плоскости Земного меридиана до плоскости, включающей ось корпуса и ось координаты, в следящую систему которой введен сигнал смещения нуля;

- включение демпфирующей катушки после разворота корпуса на угол γ;

- наблюдение за движением оси корпуса;

- выключение демпфирующей катушки при достижении углов поворота корпуса значений α и β;

- включение системы автокомпенсации;

- выведение смещения нуля в оптико-электронной следящей системе.

В результате проведенных операций направление ВКМ ротора полярного гироскопа близко к равновесному положению.

На предприятии данный способ осуществлен в гироориентаторе инерциальной корабельной системы следующим образом.

После приведения гироориентатора в рабочий режим, при котором ВКМ ротора полярного гироскопа ориентируется параллельно оси Мира, в течение 1-2 суток фиксируется движение ВКМ ротора в Земной системе координат. По результатам движения определяется равновесное положение ВКМ ротора как центр круга, описанного ВКМ (углы α и β). Центр круга характеризуется в Земной системе координат углами α и β, причем угол α лежит в плоскости Земного меридиана. Затем, не выключая следящих систем, управляющих кольцами карданного подвеса гироориентатора, в оптико-электронную систему, управляющую координатой α, вводится смещение нуля на угол, близкий к середине линейного участка измерения угла рассогласования между осью симметрии корпуса гироскопа и нулем данной следящей системы.

Следующая операция - выключение системы автокомпенсации при достижении угла поворота корпуса гироскопа равного , причем угол γ отсчитывается от плоскости Земного меридиана, далее включается демпфирующая катушка и наблюдается с помощью датчиков углов поворота карданных колец за движением корпуса гироскопа.

При достижении углов поворота корпуса значений α и β демпфирующая катушка выключается и включается система автокомпенсации.

Реализация этого способа позволит повысить точность корабельной инерциальной системы на ЭСГ.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении точности корабельной инерциальной системы.

В связи с отсутствием сведений о потребностях страны в количестве инерциальных систем экономический эффект изобретения подсчитать не представляется возможным.

Способ ориентации полярного электростатического гироскопа (ЭСГ) корабельной навигационной системы, содержащей два ЭСГ с демпфирующей нутационные колебания катушкой в каждом гироскопе с магнитной осью, направленной по оси симметрии корпуса гироскопа, при этом корпус гироскопа установлен в узел автокомпенсации с осью, направленной по оси симметрии корпуса гироскопа, каждый гироскоп установлен в двухосный гироориентатор, кольца которого управляются от сигналов двухкоординатной оптико-электронной системы слежения за угловым положением оси ротора, ось ротора полярного гироскопа при его запуске ориентирована близко к направлению оси Мира, заключающийся в определении направления оси симметрии корпуса полярного гироскопа, при котором видимое движение этой оси в системе координат, связанной с Землей, минимально, приведении навигационной системы в рабочий режим, отличающийся тем, что в оптико-электронную следящую систему одной из координат вводится смещение нуля на угол, близкий к середине линейного участка измерения угла рассогласования между осью симметрии корпуса гироскопа и нулем следящей системы, выключается автокомпенсация при достижении угла поворота корпуса гироскопа равного

,

где α и β - углы в ортогональной системе координат, связанных с Землей, отсчитываемых в плоскости, перпендикулярной оси Мира, угол α лежит в плоскости Земного меридиана, при установке оси корпуса на которые видимое движение оси корпуса минимально, причем угол γ отсчитывается от плоскости Земного меридиана до плоскости, включающей ось корпуса и ось координаты, в следящую систему которой введен сигнал смещения нуля, включается демпфирующая катушка, ведется наблюдение за движением оси корпуса, выключается демпфирующая катушка при достижении углов поворота корпуса значений α и β, включается система автокомпенсации, выводится смещение нуля в оптико-электронную следящую систему.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных систем на электростатических гироскопах.

Изобретение относится к гироскопическим устройствам и может быть применено в тех областях, где необходимо обеспечить не только вращение сферического электро- и магнитопроводящего ротора вокруг оси, расположенной в любом заданном положении в пространстве, но и измерение этого положения.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных навигационных систем на электростатических гироскопах.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором и датчиком угла, расположенным на полюсе ротора.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для использования в электромеханических устройствах на переменном токе для демпфирования поступательных и угловых колебаний тел, статическое или динамическое состояния которых заданы магнитным или электрическим полями соответственно электромагнитов или электродов, питаемых переменным током.

Изобретение относится к области точного приборостроения. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения измерительного центра инерционной массы чувствительного элемента приборов, в которых используется магнитный или электростатический подвес тела.
Изобретение относится к гироскопической технике, а именно, к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ), которые используются для высокоточного измерения навигационных параметров движущихся объектов
Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ), которые используются для высокоточного измерения навигационных параметров движущихся объектов

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных систем на электростатических гироскопах

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором и оптической системой съема информации об угловом положении оси ротора относительно корпуса. Достигаемым техническим результатом является повышение точности определения информации об угловом положении ротора относительно корпуса электростатического гироскопа в различных режимах работы. Технический результат достигается изменением формы роторного рисунка и введением специального вида дополнительной модуляции световых потоков, а также благодаря выделению отдельных гармонических составляющих модулированных сигналов и однотипному методу определения углового положения ротора по фазовым соотношениям соответствующих гармонических составляющих как для точного, так и для грубого отсчетов. Для этого в известном электростатическом гироскопе, содержащем ротор с нанесенным на него рисунком из четного количества одинаково наклоненных к экватору светопоглощающих полос, форма полос выполнена так, что в любом широтном сечении ротора они равноотстоят друг от друга по своим центрам и составляют последовательность двух чередующихся групп с одинаковым четным количеством полос в группе. При этом ширина полос в каждой группе отличается от ширины полос соседней рядом расположенной группы и равна ширине промежутков между полосами соседней группы, а в пределах одной группы ширина полос одинакова. Кроме того, в способе определения углового положения ротора электростатического гироскопа за счет раскрутки ротора с рисунком указанной формы дополнительная модуляция шести световых потоков, оси которых образуют прямоугольную систему координат, осуществляется так, что каждый модулированный световой поток представляет последовательность чередующихся групп световых импульсов с большой и малой длительностями, а между центрами пауз всех импульсов на оси времени лежат равные интервалы. Причем в группе импульсов с большой длительностью все импульсы, кроме крайних, равны по длительности интервалу времени паузы между импульсами группы импульсов малой длительности, а в группе импульсов с малой длительностью все импульсы кроме крайних равны по длительности интервалу времени паузы между импульсами группы импульсов большой длительности. Кроме того, в способе определения углового положения ротора для каждого модулированного сигнала введено выделение низкочастотной гармонической составляющей на частоте вращения ротора, умноженной на количество групп широких импульсов за один оборот ротора, и высокочастотной гармонической составляющей на частоте вращения ротора, умноженной на количество всех импульсов за один оборот ротора, а определение углового положения ротора производится многоотсчетным методом по разностям фаз соответствующих гармонических составляющих. Причем по разности фаз двух низкочастотных составляющих, соответствующих пространственно смежным световым потокам, определяют знак проекции вектора кинетического момента ротора на перпендикулярную этим потокам координатную ось, по разности фаз двух низкочастотных составляющих, соответствующих пространственно противоположным световым потокам, определяют грубое значение угла между осью вращения ротора и координатной осью этих потоков, а по разности фаз двух высокочастотных составляющих, соответствующих пространственно противоположным световым потокам, определяют точное значение угла между осью вращения ротора и координатной осью этих потоков. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в неконтактных гироскопах, акселерометрах и магнитных подшипниках. Предложенный неконтактный подвес ротора содержит пары диаметрально противоположно расположенных поддерживающих ротор элементов в виде электромагнитов или электродов, подключенных к выходам фазоинвертора, вход которого соединен с источником переменного напряжения, и один общий настроечный элемент в виде конденсатора или катушки индуктивности, примененный для каждой пары поддерживающих элементов и включенный между общей точкой соединения пары поддерживающих элементов и общей точкой фазоинвертора. Использование одного общего настроечного элемента позволяет упростить схему предложенного подвеса, обеспечить линейность тяговой характеристики и стабильность нулевого положения ротора, благодаря исключению относительного изменения величин двух настроечных элементов традиционного резонансного подвеса. 4 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления подвижными объектами (ПО). Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора и полной первичной информацией дополнительно содержит измерительные цепочки, электроды, фазочувствительные выпрямители (ФЧВ), сумматоры, масштабирующие элементы. Технический результат - определение трех углов ориентации и трех координат местоположения подвижного объекта. 7 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления различных подвижных объектов. Предложенный электростатический гироскоп содержит ротор, основной статор с поддерживающими электродами на цилиндрической рабочей поверхности, два дополнительных статора с электродами и привод вращения ротора, ротор выполнен в виде кольца со сферической наружной (внешней) поверхностью, дополнительные статоры, прилегающие к основному центральному статору, выполнены с электродами на сферических рабочих поверхностях или на конических поверхностях, касательных к сферической поверхности ротора, а привод вращения ротора выполнен в виде обращенного статора с обмотками и внешней рабочей поверхностью, расположенной напротив внутренней цилиндрической поверхности кольца ротора. Кольцо ротора может быть выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А - толщина пакета из трех статоров, С - толщина основного статора. Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении точности и перегрузочной способности микромеханического электростатического гироскопа с непрерывно вращающимся ротором. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации и навигации подвижных объектов (самолет, корабль, автомобиль), в инклинометрах (для подземной навигации) и других устройствах, где требуется информация об угловых скоростях, получаемая с помощью микромеханического гироскопа. Электромагнитный гироскоп содержит ферромагнитный ротор в виде кольца со сферической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями, верхний, центральный и нижний статоры электромагнитного подвеса ротора, при этом статор вращения ротора выполнен обращенным и помещен внутри кольца ротора, при этом кольцо ротора выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А - толщина пакета из трех статоров, С - толщина центрального статора. Технический результат - упрощение конструкции электромагнитного гироскопа, повышение перегрузочной способности и предотвращение аварийного обката ротора при внешних возмущениях, превышающих заданные значения. 5 ил.
Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ). Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа, согласно которому в начале процесса взвешивания создают временную паузу, преобразуют величину смещения ротора из центра подвеса вдоль каждой из его осей в эквивалентную величину электрического напряжения, которое подвергают частотной коррекции, результат коррекции складывают с опорным напряжением, результат сложения усиливают, полученное высоковольтное напряжение подают на силовой электрод подвеса, одновременно результат коррекции вычитают из опорного напряжения, результат вычитания усиливают, полученное высоковольтное напряжение подают на другой силовой электрод подвеса, введены операции, согласно которым перед взвешиванием ротора гироскоп ориентируют в положение, при котором одна из ортогональных осей подвеса вертикальна, а в течение временной паузы на силовые электроды подвеса подают только опорные напряжения, в результате чего прижимают ротор к упорам, расположенным вокруг нижнего силового электрода, центрируя его в зазоре между силовыми электродами, оси которых расположены в горизонтальной плоскости. Технический результат – обеспечение взвешивания ротора без возбуждения подвеса и повышение точности ЭСГ.

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ). Сущность изобретения заключается в том, что способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа дополнительно содержит этапы, на которых после раскрутки ротора до рабочей частоты вращения величину начального напряжения на электродах устанавливают равной нулю, а приращение напряжения подают только на электрод подвеса, от которого удаляется ротор, кроме того, для создания момента сил, стабилизирующих вращение ротора на рабочей частоте, коэффициент усиления К1 напряжения, пропорционального смещению по осям подвеса, увеличивают на величину ΔK где ΔK - коэффициент увеличения коэффициента К1;U0 - начальное напряжение на электродах подвеса до раскрутки ротора;Um - амплитуда переменной составляющей приращения напряжения до установки значения начального напряжения равного нулю. Технический результат – повышение точности ЭСГ.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в составе навигационных комплексов

Наверх