Способ инерциальной навигации и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к навигации подвижных объектов: самолетов, ракет, кораблей, космических аппаратов. Способ инерциальной навигации заключается в использовании линейных акселерометров, работающих в режиме автоколебаний, по показаниям которых Δn_i=n_1i-n_2i, n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i и N_ai=Δn_i/n_i=К_aia_i, (i=1...∞), пропорциональных ускорению и периоду автоколебаний Т_i, где К_ai=ml/К_дмI₀ - коэффициент преобразования акселерометра, ml - маятниковый момент подвижной системы акселерометра, К_дм и I₀ - коэффициент передачи датчика момента и ток, поступающий от стабилизированного источника; одновременно с ускорением объекта измеряют интервал времени n_i=f_cT_i, на котором измеряют ускорение, при помощи показаний акселерометра определяют составляющие вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра на этом интервале, причем для определения составляющих вектора скорости N_νi и радиус-вектора N_ri, значения показаний N_ai и n_i акселерометра за каждый период автоколебаний Т_i перемножают, а результаты для конкретного участка траектории суммируют. Технический результат - сокращение времени подготовки навигационной информации и сокращение количества применяемых технических средств за счет расширения функциональных возможностей линейных акселерометров. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно к той ее части, которая занимается вопросами навигации подвижных объектов: самолетов, ракет, кораблей, космических аппаратов и др., путем измерения проекций ускорений при помощи линейных акселерометров и измерителей угловых скоростей с последующим преобразованием их показаний.

Широко известны способы инерциальной навигации подвижных объектов при помощи линейных акселерометров и измерителей угловых скоростей, установленных на объекте, путем измерения проекций линейного ускорения и угловой скорости в каждой точке траектории движения объекта, причем для определения составляющих вектора линейной скорости объекта значения показаний акселерометров интегрируют по времени при помощи вычислителя и часов, измеряющих ньютоново время, а для определения составляющих радиус-вектора объекта выполняют повторное интегрирование полученных результатов [1, 2]. При этом необходимо учитывать показания измерителей угловой скорости объекта и начальные значения искомых параметров.

Можно сказать, что известные способы инерциальной навигации подвижных объектов представляют собой цепочку последовательных по времени преобразований. Для определения составляющих вектора линейной скорости и составляющих радиус-вектора объекта вначале измеряют проекции ускорения при помощи акселерометров и измерителей угловой скорости, а затем интегрируют значения показаний акселерометров по времени при помощи вычислителя и часов, измеряющих ньютоново время, причем интегрируют после получения значений проекций ускорения. Полученные значения, пропорциональные составляющим вектора скорости объекта, повторно интегрируют в том же вычислителе после получения значений, пропорциональных составляющим вектора скорости объекта. Возникает запаздывание по времени появления искомых навигационных параметров - сигналов, пропорциональных составляющим вектора линейной скорости и радиус-вектора объекта. Кроме этого известным способам инерциальной навигации подвижных объектов необходимы дополнительные устройства - интеграторы и часы, измеряющие ньютоново время.

Известные способы инерциальной навигации подвижных объектов осуществляются при помощи различных устройств: акселерометров, интеграторов (вычислителей). В ряду известных акселерометров выделяются дискретные акселерометры, а среди них практический интерес вызывают электромеханические компенсационные, работающие в режиме автоколебаний [3-5]. Принцип измерения линейного ускорения при помощи такого акселерометра заключается в том, что ускорение преобразуют в отклонение подвижной системы акселерометра с последующим преобразованием отклонения в электрический сигнал и после его усиления в последовательность временных интервалов, сформированных с помощью источника стабилизированного тока и элементов нелинейного звена в виде широтно-модулированного сигнала, который преобразуют в момент импульсной обратной связи, под действием которого подвижная система совершает автоколебательное движение, смещение положения динамического равновесия которого зависит от величины и знака измеряемого ускорения, и диапазон измеряемого ускорения ограничен величиной стабилизированного тока, а широтно-модулированный сигнал преобразуют в сигнал, модулированный счетными импульсами, поступающими от генератора импульсов стабилизированной частоты f_c, с последующим определением показаний акселерометра в виде числа счетных импульсов n_1i и n_2i, соответствующих временным интервалам положительного и отрицательного импульсов широтно-модулированного сигнала, их разности Δn_i=n_1i-n_2i, суммы n_i=n_1i+n_2i=f_сT_i и отношения Δn_i/n_i=N_ai, причем величину и знак измеряемого ускорения a_i определяют с помощью показаний акселерометра и по формуле N_ai=K_aia_i, (i=1...∞), где K_ai=ml/K_дмI₀ - коэффициент преобразования акселерометра, ml - маятниковый момент подвижной системы акселерометра, K_дм и I₀ - коэффициент передачи датчика момента и ток, поступающий от стабилизированного источника. Особенностью такого акселерометра является то, что по его показаниям одновременно с измерением ускорения N_ai=Δn_i/n_i=K_aia_i можно измерить ньютоново время - время изменения измеряемого ускорения n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i.

Для подтверждения принципа измерения и преобразования ускорения в относительный цифровой код получена математическая модель, которая для подвижной системы (ПС) акселерометра, работающего в режиме автоколебаний, характеризуется взаимодействием совокупности моментов и может быть представлена в операторной форме в виде равенства:

где J - момент инерции ПС; μ - коэффициент демпфирования ПС; с - коэффициент остаточной угловой жесткости подвеса ПС; β - угол отклонения ПС. Здесь М_вх(р)=mla_вх и М_к=К_дмI_дм - моменты, характеризующие входное и компенсирующее воздействия соответственно, где a_i - проекция линейного ускорения, которую измеряет прибор, ml - так называемый маятниковый момент ПС акселерометра, K_дм, I_дм - коэффициент передачи и ток датчика момента (ДМ), М_н(р) - момент неучтенных сил.

Для режима динамического равновесия автоколебаний ПС характерно действие среднего значения тока ДМ I_дм=I_cp=I₀(n_1i-n_2i)/(n_1i+n_2i)=I₀Δn_i/n_i за период T_i автоколебаний, в пределах которого и происходит измерение входного воздействия.

Подставляя приведенные выше соотношения в равенство (1), получим уравнение динамики для акселерометра, работающего в режиме автоколебаний при наличии ускорения и возмущений:

причем для режима динамического равновесия, опуская тем самым составляющую периодических колебаний. Как показали аналитические и экспериментальные исследования [1, 2], периодическая составляющая автоколебаний чувствительного элемента (ЧЭ) влияет на потребление электрической энергии и несет незначительную информационную нагрузку, а основным носителем измерительной информации является низкочастотная составляющая, соответствующая характеру изменения входных воздействий и состоянию динамического равновесия подвижной системы (ПС), что позволило дополнительно исключить влияние постоянной времени датчика момента (ДМ). Равенство (2) помогает получить выражение выходной характеристики N_i=Δn_i/n_i=ϕ(a_i), устанавливающей связь показаний акселерометра и ускорения, в развернутом виде:

Правая часть полученного равенства представляет собой сумму приведенных моментов, характеризующих действие линейного а_i, ускорения, моментов , соответствующих собственному движению ПС, и моментов неучтенных сил М_н(р), в том числе таких, которые связаны с изменениями условий окружающей среды. Выходная характеристика (3) примет вид:

где - коэффициент преобразования ускорения.

Полученное равенство и вышеизложенный способ измерения и преобразования ускорения, положенный в основу акселерометра, работающего в режиме автоколебаний, показывают, что известные способы измеряют линейное ускорение путем определения разности Δn_i=n_1i-n_2i, суммы n_i=n_1i+n_2i и отношения импульсов N_ai=Δn_i/n_i=ϕ(a_вх), соответствующих входному воздействию. Учитывая, что сумма импульсов n_i=n_1i+n_2i=f_c(τ_1i+τ_2i) пропорциональна длительности периода автоколебаний T_i=τ_1i+τ_2ii, по формуле (4) определяют среднее значение ускорения за период автоколебаний, причем в относительных единицах. Если перейти к абсолютным единицам в импульсах или времени, то возникает возможность измерять и определять изменения ускорения во времени, то есть составляющие вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра, что показывает дополнительные функциональные возможности способа измерения ускорения, реализованного в акселерометре, работающем в режиме автоколебаний.

Целью изобретения является упрощение способа определения навигационных параметров, в том числе составляющих вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра, сокращение времени подготовки навигационной информации и сокращение количества применяемых технических средств за счет расширения функциональных возможностей линейных акселерометров, работающих в режиме автоколебаний.

Указанная цель достигается тем, что в качестве акселерометров используют линейные акселерометры, работающие в режиме автоколебаний, по показаниям которых Δn_i=n_1i-n_2i, n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i и N_ai=Δn_i/n_i, пропорциональных ускорению и периоду автоколебаний T_i, одновременно с ускорением объекта измеряют интервал времени n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i изменения ускорения, что позволяет определить составляющие вектора скорости и радиус-вектора по направлению осей чувствительности акселерометров на этом интервале, причем для определения составляющих вектора скорости N_νi=K_νiV_i и радиус-вектора N_ri=K_rir_i значения показаний N_ai и n_i акселерометра за каждый период автоколебаний T_i перемножают: N_νi=N_ain_i, результаты для конкретного участка траектории суммируют в соответствии с формулами:

где i=1...k - любая точка траектории движения объекта, в том числе конечная и соответствующая измерению на интервале i-го периода автоколебаний;

V_i, V_k, r_i и r_k - составляющие вектора скорости и радиус-вектора в любой i-й и конечной точках траектории соответственно;

- коэффициенты преобразования по составляющим вектора скорости и радиус-вектора соответственно; K_ai и K_a - текущее и среднее значения коэффициента преобразования по ускорению соответственно; f_c - частота счетных импульсов. В предлагаемом способе по окончании каждого периода T_i=τ_1i+τ_2i измерения показаниями акселерометра являются импульсы: n_1i, n_2i, Δn_i=n_1i-n_2i и n_i=n_1i+n_2i, которые используются для определения ускорения и позволяют одновременно с ускорением определить составляющие вектора скорости Δn_i=K_aia_in_i=K_aif_cV_i и радиус-вектора направлению оси чувствительности акселерометра, при этом не требуются интеграторы, вычислитель и измеритель времени, что упрощает устройство для осуществления предлагаемого способа. Синхронизация измеряемых навигационных параметров не требует дополнительных средств и времени, осуществляется автоматически в темпе измерения ускорения, что указывает на возможности сокращения времени подготовки навигационной информации.

Известные способы измерения линейных ускорений реализуются при помощи известных устройств - акселерометров, работающих в режиме автоколебаний [2-4]. Среди указанных устройств в наибольшей степени предлагаемому соответствует акселерометр [2], принципиальная схема которого представлена на чертеже. На схеме показаны: чувствительный элемент (ЧЭ) и нелинейное звено (НЗ). В состав ЧЭ входит инерционный элемент (ИЭ) 1, датчик угла (ДУ), состоящий из подвижной системы чувствительного элемента (ПС ЧЭ) 2 и датчика перемещений подвижной системы (ДП ПС) 3, датчик момента (ДМ) 7, которые механически и электрически связаны между собой и образуют замкнутый контур управления вместе с элементами, реализующими нелинейное звено (НЗ). Подвижные части ДУ, ДМ и ИЭ называют подвижной системой (ПС) ЧЭ. В состав НЗ входят усилитель-преобразователь (УП) 4, компаратор 5 и электронный ключ (ЭК) 6, а также в состав устройства входят источник стабилизированного тока I₀ (ИСТ₀) 8 заданного диапазона, генератор счетных импульсов (ГСИ) 9 стабилизированной частоты f_c, суммирующий (ССИ) 10 и реверсивный (РСИ) 11 счетчики импульсов, инвертор 12 и умножители 13, 14, 15 блоков ускорения, перемещения и скорости соответственно.

При наличии входного воздействия в виде ускорения a_i ИЭ 1 отклоняется на угол β и на ДУ 2 и 3 возникает сигнал в виде напряжения U_ду=К_дуβ, которое после усиления в УП 4 в виде сигнала U_уп=К_упU_ду=К_дуК_упβ поступает на вход компаратора 5, выход которого связан с управляющими входами ЭК 6 и счетчиков 10 и 11 (см. чертеж). При помощи ЭК 6 источник ИСТ₀ подключается к ДМ 7. Образуется электрическая цепь импульсной обратной связи за счет формирования импульсов тока ±I_дм, поступающих на обмотку ДМ 7. Одновременно функционирует информационный канал и ГСИ 9 подключается к счетным входам ССИ 10 и РСИ 11. На выходе счетчиков выделяется сумма n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i и разность Δn_i=n_1i-n_2i числа импульсов, пропорциональных периоду автоколебаний T_i и входному воздействию, а на выходе умножителя 13 получают информацию в виде N_ai=Δn_i/n_i. Значения параметров n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i, Δn_i=n_1i-n_2i и N_ai=Δn_i/n_i являются показаниями акселерометра, пропорциональными входному воздействию и периоду автоколебаний T_i.

Таким образом, при наличии входного воздействия a_i за каждый период автоколебаний T_i на выходе прибора возникают показания n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i, Δn_i=n_1i-n_2i, N_ai=Δn_i/n_i, N_νi=N_ain_i и , которые используются для определения ускорения и позволяют одновременно с ускорением определить составляющие вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра.

Поставленная цель изобретения - упрощение способа определения навигационных параметров, в том числе составляющих вектора скорости и радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра, сокращение времени подготовки навигационной информации и сокращение количества применяемых технических средств за счет расширения функциональных возможностей линейных акселерометров, работающих в режиме автоколебаний - достигнута. Полученные выражения (4)-(6) показывают, что при измерении ускорения акселерометром, работающим в режиме автоколебаний, расширяются функциональные возможности способа измерения ускорения, одновременно существенно упрощается процедура определения навигационных параметров: составляющих скорости и радиус-вектора. При помощи измеренных импульсов Δn_i=(n_1i-n_2i), n_i=(n_1i+n_2i) и арифметических действий умножения и сложения удалось заменить операции интегрирования перемножением измеренных величин.

Источники информации

1. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. - М.: Наука, 1966, с 15-21, 54-62.

2. Ишлинский А.Ю. Механика. Идеи, задачи, приложения. - М.: Наука, 1985, с 369-375.

3. Коновалов С.Ф. и др. Гироскопические системы. 4.3. (Акселерометры, датчики угловой скорости и др.). - М.: ВШ, 1980, стр.4.

4. Скалон А.И. Обобщенный анализ характеристик прецизионных датчиков механических величин, работающих в режиме автоколебаний. // Измерительная техника. - 1990. - С.7-9.

5. Жуков В.Н., Рыбаков В.И., Хегай Д.К. Принципы построения высокочувствительных миниатюрных датчиков систем управления МКА. // Изв. вузов приборостроение. 2004, №3, с.36.

6. Кутуров А.Н., Кулешов В.В. Преобразователь ускорений с относительным цифровым кодом. // Изв. вузов приборостроение. 2003, №9, с 34-37.

1. Способ инерциальной навигации подвижного объекта при помощи линейных акселерометров и измерителей углового положения, установленных на объекте, путем измерения проекций линейного ускорения и угловой скорости в каждой точке траектории движения объекта, а для определения составляющих вектора скорости объекта значения показаний акселерометра интегрируют по времени при помощи интегратора, вычислителя и часов, измеряющих ньютоново время, а для определения составляющих радиус-вектора объекта выполняют повторное интегрирование полученных результатов, отличающийся тем, что в качестве акселерометров используют линейные акселерометры, работающие в режиме автоколебаний, по показаниям которых Δn_i=n_1i-n_2i n_i=n_1i+n_2i=f_сТ_i и N_ai=Δn_i/n_i=К_aia_i, (i=1...∞), пропорциональных ускорению и периоду автоколебаний Т_i, где К_ai=ml/К_дмI₀ - коэффициент преобразования акселерометра, ml - маятниковый момент подвижной системы акселерометра, К_дм и I₀ - коэффициент передачи датчика момента и ток, поступающий от стабилизированного источника; одновременно с ускорением объекта определяют интервал времени n_i=f_cТ_i, на котором измеряют ускорение, при помощи показаний акселерометра определяют составляющие вектора скорости и радиус-вектора объекта по направлению оси чувствительности акселерометра на этом интервале времени, причем для определения составляющих вектора скорости N_vi и радиус-вектора N_ri значения показаний N_ai и n_i акселерометра за каждый период автоколебаний Т_i перемножают N_vi=N_ain_i=K_aia_if_cT_i=K_viV_i, N_ri=N_ain_in_i==К_rir_i, где K_vi=K_aif_с, K_ri=K_aif² _c - коэффициенты преобразования по составляющим вектора скорости и радиус-вектора как производные коэффициента преобразования K_ai по ускорению, f_c - частота счетных импульсов, V_i=a_iТ_i, r_i=a_iТ² _i - составляющие вектора скорости и радиус-вектора в любой точке траектории, соответствующей каждому i-му периоду автоколебаний и измерений, а результаты для конкретного участка траектории суммируют в соответствии с формулами

, , где i=1...k - любая точка траектории движения объекта, в том числе конечная, и соответствующая измерению на интервале каждого i-го периода автоколебаний, V_i, , r_i, и - составляющие вектора скорости и радиус-вектора в любой i-й и конечной точках траектории соответственно, , - текущее и среднее значения коэффициентов преобразования по составляющим вектора скорости и радиус-вектора соответственно, К_ai и К_а - текущее и среднее значения коэффициента преобразования по ускорению соответственно.

2. Устройство для осуществления способа инерциальной навигации при помощи акселерометра, работающего в режиме автоколебаний и содержащего: инерционный элемент, датчик угла, датчик момента, которые механически и электрически связаны между собой и образуют замкнутый контур управления вместе с элементами, реализующими нелинейное звено в составе: усилителя-преобразователя, компаратора, электронного ключа, а также источника стабилизированного тока, генератора стабилизированной частоты, реверсивного и суммирующего счетчиков импульсов, выходы которых подключены на вход умножителя, на выходе которого имеется сигнал, пропорциональный измеряемому ускорению, причем выход суммирующего счетчика подключен через инвертор, отличающееся тем, что дополнительно введены два умножителя, на входы одного из них подключен выход суммирующего счетчика импульсов и выход основного умножителя, на два входа второго дополнительного умножителя подключен выход суммирующего счетчика импульсов, а на его третий вход подключен выход основного умножителя, при этом на выходе первого из дополнительных умножителей возникают сигналы, пропорциональные составляющим вектора скорости, а на выходе второго умножителя - составляющей радиус-вектора по направлению оси чувствительности акселерометра.