Способ калибровки углов рассогласования оси датчика угла неуправляемого гироскопа относительно оси вращения его корпуса

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в инерциальных системах ориентации (ИСО), построенных на неуправляемых гироскопах с автокомпенсацией уводящих моментов путем принудительного вращения корпусов гироскопов. Способ калибровки углов рассогласования оси датчика угла гироскопа и оси вращения его корпуса заключается в формировании измерительного сигнала в виде разности измеренного и расчетного значений косинуса угла между векторами кинетических моментов двух гироскопов, входящих в состав ИСО, и последующей выработке оценок калибруемых углов как коэффициентов Фурье от измерительного сигнала. Наблюдаемость калибруемых углов каждого гироскопа обеспечивается тем, что угловые скорости вращения корпусов гироскопов формируются отличными друг от друга. Частным случаем предлагаемого способа является остановка (выключение) вращения корпуса одного из гироскопов на время калибровки параметров другого гироскопа. Технический результат: повышение автономности ИСО на неуправляемых гироскопах за счет калибровки угла рассогласования оси датчика угла гироскопа и оси вращения его корпуса с использованием измерительного сигнала, вырабатываемого в ИСО без привлечения навигационной информации от внешних источников. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в инерциальных системах ориентации (ИСО), построенных на неуправляемых гироскопах (НГ) с автокомпенсацией уводящих моментов путем вращения корпусов НГ.

Для исключения ряда составляющих ухода НГ, установленного в карданов подвес, используется автокомпенсация уводящих моментов, постоянных относительно осей корпуса НГ, путем принудительного вращения корпуса гироскопа вокруг оси, близкой к вектору кинетического момента его ротора [С.М.Зельдович, М.И.Малтинский, И.М.Окон, Я.Г.Остромухов. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем. - Л.: Судостроение, 1976, стр.52-60]. В качестве примера конструкции НГ рассматривается гироскоп с неконтактным подвесом ротора, в котором с помощью карданова подвеса осуществляется согласование оси датчика угла НГ с вектором кинетического момента ротора [A.S.Anfinogenov, V.Z.Gusinsky, O.N.Parfenov. Electrostatic Gyro / The Second Soviet-Chinese Symposium of Inertial Technology, CSM «Electropribor», Saint Petersburg, 1992, p.71-73].

В реальных конструкциях НГ имеет место рассогласование оси датчика угла, а следовательно, и вектора кинетического момента ротора и оси вращения корпуса гироскопа на некоторые малые углы [С.М.Зельдович, М.И.Малтинский, И.М.Окон, Я.Г.Остромухов. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем. - Л.: Судостроение, 1976., стр.91, рисунок 4.7]. При наличии вращения корпуса НГ ось его вращения совершает коническое движение вокруг вектора кинетического момента ротора НГ с амплитудой и фазой, пропорциональным углам рассогласования, и периодом принудительного вращения. Коническое движение корпуса НГ вызывает гармонические колебания колец карданова подвеса, приводящие к погрешностям измерения углового положения вектора кинетического момента НГ относительно базовой плоскости [С.М.Зельдович, М.И.Малтинский, И.М.Окон, Я.Г.Остромухов. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем. - Л.: Судостроение, 1976, стр.92]. Для компенсации указанных погрешностей в выходных данных НГ производится калибровка углов рассогласования оси датчика угла НГ и оси принудительного вращения корпуса (обозначим эти углы как α_X, α_Z) и их алгоритмической учет [Гусинский В.З., Лесючевский В.М., Литманович Ю.А. Выставка и калибровка инерциальной навигационной системы с многомерной моделью погрешностей инерциальных измерителей // IV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. - СПб.: ЦНИИ "Электроприбор", 1997. - С.29-31].

Наиболее близким к заявленному и принятым за прототип является способ калибровки, заключающийся в формировании измерительного сигнала, представляющего собой первую гармонику угла вращения корпуса НГ, амплитуда и фаза которой являются функциями калибруемых углов [Описание математического обеспечения ДНИЯ.462125.011Д5. - Предприятие ЦНИИ «Электроприбор», 2001, - л.73-74]. Калибровка углов α_X, α_Z осуществляется отдельно для каждого НГ, входящего в состав ИСО. В известном способе измерительный сигнал формируют в виде разности «измеренного» и «расчетного» значений высотного угла вектора кинетического момента НГ относительно базовой плоскости, на которой установлен НГ в кардановом подвесе. «Измеренное» значение h^u данного угла снимается с датчика угла на оси вращения соответствующего кольца карданова подвеса НГ, а «расчетное» значение h^p этого угла определяют с использованием следующих соотношений [Описание математического обеспечения ДНИЯ.462125.011Д5. - Предприятие ЦНИИ «Электроприбор», 2001, - л.74-75]:

где:

В формулах (1) и (2) обозначено: , , - проекции вектора кинетического момента НГ на оси системы координат XYZ, связанной с базовой плоскостью, H_ξ*, H_η*, H_ζ* - проекции вектора кинетического момента НГ на оси инерциальной системы координат, вычисляемые путем численного интегрирования уравнения прецессионного движения НГ, Q - матрица углового перехода от системы координат XYZ к инерциальной системе координат, формируемая на основании текущих значений широты и долготы места, а также углов качки и курса объекта, поступающих от внешних источников навигационной информации.

Измерительный сигнал Δh_* формируют в виде разности

«Измеренное» значение угла h^u содержит составляющие, обусловленные видимым движением вектора кинетического момента НГ относительно Земли вследствие земного вращения и систематического ухода гироскопа, а также гармонические составляющие, вследствие конического движения корпуса НГ. «Расчетное» значение этого угла h^p, полученное без использования информации от датчиков угла на осях карданова подвеса, содержит только составляющие, обусловленные видимым движением вектора кинетического момента НГ относительно Земли. Таким образом, измерительный сигнал Δh_* содержит первую гармонику угла вращения корпуса НГ, амплитуда и фаза которой являются функциями углов а_X, а_Z. В соответствие с этим в известном способе калибруемые параметры оцениваются как коэффициенты Фурье от измерительного сигнала Δh_* посредством вычисления следующих интегралов [Описание математического обеспечения ДНИЯ.462125.011Д5. - Предприятие ЦНИИ «Электроприбор», 2001, - л.75]:

где n - количество полных оборотов корпуса НГ, на которых производится вычисление;

ρ - угол вращения корпуса НГ.

Основным недостатком известного способа является необходимость привлечения внешней информации о координатах места, а также об углах курса и качки объекта, что снижает автономность ИСО.

Задачей изобретения является повышение автономности ИСО на НГ при сохранении необходимой точности выходных данных.

Задача решается тем, что в известном способе вместо измерения в виде разности «измеренного» и «расчетного» значений высотного угла вектора кинетического момента НГ, формируемого для каждого НГ, используется единое измерение в виде разности «измеренного» и «расчетного» значений косинуса угла между векторами кинетических моментов двух НГ. «Измеренное» значение косинуса указанного угла формируется на основании показаний датчиков угла на осях колец кардановых подвесов двух НГ и содержит гармонические составляющие, обусловленные коническим движением корпусов НГ. «Расчетное» значение этого угла формируется с использованием проекций векторов кинетических моментов НГ, вычисляемых путем интегрирования уравнений их прецессионного движения, и содержит только составляющие, дрейфом векторов кинетических моментов НГ относительно инерциальной системы координат. Следовательно, разностный сигнал содержит первые гармоники углов вращения корпусов НГ, амплитуда и фаза которых являются функциями углов α_X, α_Z каждого из двух НГ.

Для обеспечения наблюдаемости калибруемых параметров каждого НГ угловые скорости вращения корпусов НГ формируются отличными друг от друга.

Предлагаемый способ состоит из следующих операций:

1) съем текущих углов разворота колец кардановых подвесов двух НГ;

2) формирование проекций , , вектора кинетического момента первого НГ и проекции , , вектора кинетического момента второго НГ на оси системы координат XYZ, связанной с базовой плоскостью, на основании углов разворота колец кардановых подвесов двух НГ;

3) формирование текущих проекций e₁₁, e₂₁, e₃₁ вектора кинетического момента первого НГ и текущих проекций е₁₂, е₂₂, е₂₂ вектора кинетического момента второго НГ на оси инерциальной системы координат путем численного интегрирования прецессионных уравнений двух НГ;

4) формирование «измеренного» значения косинуса угла между векторами кинетических моментов НГ с использованием выражения:

5) формирование "расчетного" значения косинуса угла между векторами кинетических с использованием выражения

6) формирование измерения Δ_* в виде разности «измеренного» и «расчетного» значений косинуса угла между векторами кинетических моментов двух НГ с использованием выражения

7) приведение второго НГ в режим вращения корпуса с угловой скоростью, отличной от угловой скорости вращения корпуса первого НГ;

8) оценивание калибруемых параметров первого НГ в виде коэффициентов Фурье первых гармоник угла вращения корпуса НГ путем вычисления следующих интегралов:

где ρ¹ - угол вращения корпуса первого НГ;

n - число полных оборотов корпуса НГ, на которых производится вычисление.

Параллельно с определением калибруемых параметров первого НГ могут быть определены и параметры другого НГ, входящего в состав ИСО, путем вычисления следующих интегралов:

где ρ² - угол вращения корпуса второго НГ.

Частным случаем предлагаемого способа является остановка (выключение) вращения корпуса одного из НГ на время калибровки параметров другого НГ. Поскольку длительность калибровки не превышает 10 мин (при периоде вращения корпуса НГ Т=1...4 мин и количестве оборотов, на котором выполняется калибровка n=2...6), то данный вариант метода не приводит к потере точности выработки выходных данных ИСО из-за прекращения автокомпенсации уходов НГ на время калибровки. При реализации такого варианта предлагаемого способа калибровка входящих в состав ИСО гироскопов осуществляется последовательно, при этом калибруемые параметры а_X, а_Z первого НГ вычисляются по формуле (8), при отключенном вращении корпуса второго НГ, а затем определяются калибруемые параметры а_X, а_Z второго НГ по формуле (9) при отключенном вращении корпуса первого НГ.

Из описания реализации предлагаемого способа видно, что для формирования измерительного сигнала не требуется привлечения какой-либо внешней информации.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении автономности ИСО на НГ без потери точности выходных данных.

1. Способ калибровки углов рассогласования оси датчика угла неуправляемого гироскопа относительно оси вращения его корпуса в составе инерциальных систем ориентации на неуправляемых гироскопах, заключающийся в формировании измерительного сигнала, содержащего первые гармоники углов вращения корпусов гироскопов, амплитуда и фаза которых являются функциями калибруемых углов, оценивании калибруемых углов гироскопов как коэффициентов Фурье от измерительного сигнала, при этом в качестве измерительного сигнала используется разность измеренного и расчетного значений косинуса угла между векторами кинетических моментов двух гироскопов, а для обеспечения наблюдаемости калибруемых углов каждого гироскопа угловые скорости принудительного вращения корпусов гироскопов формируются отличными друг от друга.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на время определения калибруемых углов гироскопа угловая скорость принудительного вращения корпуса другого гироскопа формируется равной нулю.