Способ калибровки погрешностей бескарданной инерциальной системы на электростатических гироскопах в условиях орбитального полета
METHOD FOR CALIBRATING ERRORS OF CARDANLESS INERTIAL SYSTEM ON ELECTROSTATIC GYROSCOPES UNDER CONDITIONS OF ORBITAL FLIGHT

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам калибровки погрешностей бескарданной инерциальной системы на электростатических гироскопах (далее - ЭСГ) в условиях орбитального полета космического аппарата, определяемых моделью погрешности, содержащей коэффициенты, характеризующие угловую ориентацию измерительных осей гироскопов относительно осей астровизирующего устройства, и коэффициенты, определяющие уход гироскопов.
Известен способ калибровки погрешностей бескарданной инерциальной системы (далее - системы) на ЭСГ в условиях орбитального полета космического аппарата [1, стр. 36-46]. Способ предполагает выполнение следующих технологических операций:
1. Определение параметров ориентации объекта, значений погрешности системы с использованием модели погрешности с установленными расчетными значениями ее коэффициентов.
2. Осуществление калибровочных витков космического аппарата (далее - объекта) по орбитальной траектории.
3. Измерение сигналов от астровизирующего устройства.
4. Измерение сигналов датчиков угла ЭСГ.
5. Передача полученной информации по каналам телеметрии в Центр Управления Полетом (далее - ЦУП).
6. Расчет коэффициентов (в дальнейшем используется термин «привязок»), характеризующих угловую ориентацию измерительных осей гироскопов относительно осей астровизирующего устройства. Расчет коэффициентов модели ухода гироскопов.
7. Передача на борт объекта уточненных параметров (коэффициентов) модели погрешности системы.
8. Корректировка на борту объекта параметров модели погрешности в части замены установленных коэффициентов модели на их уточненные значения.
Недостатками способа являются:
1. Длительность процесса калибровки, обусловленная необходимостью передачи информации в ЦУП и обратно на борт объекта.
2. Малая надежность, обусловленная наличием вероятности ошибок оператора при передаче информации и расчете параметров.
Известен так же способ калибровки погрешностей бескарданной инерциальной системы на ЭСГ в условиях орбитального полета, взятый за прототип [2, стр 70-76]. Способ предполагает выполнение следующих технологических операций:
1. Определение параметров ориентации объекта с использованием модели погрешности (далее - модели) системы с предварительно установленными двадцати четырьмя расчетными значениями ее коэффициентов.
2. Последовательное вращение объекта вокруг осей связанных с его корпусом с угловой скоростью равной, например, 180 град/ч (расчетная угловая скорость движения объекта по орбите).
3. Измерение сигналов от астровизирующего устройства и сигналов датчиков угла ЭСГ.
4. Совместная обработка измеренных сигналов с использованием алгоритма фильтра Калмана двадцать четвертого порядка, сформированного на основе примененной модели погрешности, включающей коэффициенты, характеризующие угловую ориентацию измерительных осей гироскопов относительно осей эталонного устройства (астровизирующего устройства), и коэффициенты, характеризующие уход гироскопов.
5. Одновременное определение погрешности системы, уточненных значений коэффициентов.
6. Замена предварительно установленных коэффициентов модели в фильтре Калмана на уточненные значения коэффициентов.
7. Продолжение измерения сигналов астровизирующего устройства и датчиков угла гироскопов.
8. Совместная обработка сигналов и повторное определение погрешности системы и новых коэффициентов.
9. Повторение операций по измерению сигналов, совместной обработке, определению погрешности системы и значений уточненных коэффициентов, последовательной замене коэффициентов модели в фильтре Калмана на уточненные. Окончательную фиксацию значений коэффициентов модели, соответствующих минимальному значению погрешности.
Недостатками способа-прототипа являются:
- Низкая точность калибровки коэффициентов «привязок» измерительных осей гироскопов относительно осей эталонного устройства. Указанный недостаток обусловлен наличием составляющей погрешности от ухода гироскопов в результатах определения коэффициентов «привязок».
- Низкая точность калибровки коэффициентов модели, характеризующих «привязки» и уход гироскопов. Малая точность обусловлена наличием в результатах расчета составляющей погрешности, вносимой фильтром Калмана, которая образуется при одновременном расчете всех параметров модели. В данном способе применена модель, содержащая двадцать четыре коэффициента. Соответственно, применен фильтр Калмана двадцать четвертого порядка. Погрешность образуется при проведении вычислительных операций, каждая из которых заканчиваются процессом округления.
Решаемой технической проблемой настоящего изобретения является совершенствование способа калибровки бескарданной инерциальной системы на ЭСГ в условиях орбитального полета космического аппарата.
Достигаемый технический результат - повышение точности калибровки (определения) коэффициентов модели погрешности бескарданной инерциальной системы.
Поставленная проблема решается тем, что в известном способе калибровки погрешностей бескарданной инерциальной системы на ЭСГ в условиях орбитального полета, согласно которому, при движении объекта по орбитальной траектории осуществляют его вращение последовательно вокруг осей связанных с корпусом; одновременно измеряют сигналы от внешнего эталонного устройства, например, астровизирующего устройства и сигналы датчиков угла электростатических гироскопов; определяют погрешность системы, значения коэффициентов модели, характеризующих «привязки» измерительных осей гироскопов относительно осей эталонного устройства; определяют уточненные значения коэффициентов, характеризующие уход гироскопов; производят замену установленных в фильтре Калмана (далее - фильтре) коэффициентов модели на их уточненные значения; производят повторные измерения сигналов, определение погрешности системы и определение уточненных значений коэффициентов модели и с их последовательной заменой в фильтре; фиксируют значения коэффициентов при минимальном значении погрешности системы.
Согласно предлагаемому способу, сначала определяют коэффициенты модели, характеризующие «привязки» измерительных осей гироскопов относительно осей эталонного устройства, при увеличенной скорости вращения объекта, путем сравнения параметров ориентации измерительных осей гироскопов с параметрами ориентации осей эталонного устройства, а коэффициенты модели, характеризующие уход гироскопов, определяют после внесения определенных коэффициентов модели, характеризующих «привязки», в фильтр Калмана в качестве постоянных величин.
Реализация предлагаемого способа осуществляется при выполнении следующей последовательности технологических операций:
1. Движение объекта по орбитальной траектории с расчетным значением угловой скорости равным 180 град/ч.
2. Последовательным вращением объекта вокруг его осей, с увеличенной на порядок, по сравнению с расчетным значением, скоростью. Скорость вращения увеличивается с целью минимизации влияния скорости ухода гироскопов на результаты расчета коэффициентов модели, характеризующих «привязки» измерительных осей гироскопов относительно осей астровизирующего устройства.
3. Измерение сигналов от астровизирующего устройства. Расчет параметров, определяющих угловое положение связанной с объектом системы координат (эталонных значений).
4. Измерение сигналов от датчиков угла ЭСГ. Расчет параметров, определяющих угловое положение связанной с объектом системы координат (расчетное значение).
5. Вычисление коэффициентов модели, характеризующих «привязки» измерительных осей гироскопов относительно осей астровизирующего устройства без использования алгоритма фильтра Калмана, путем сравнения расчетного и эталонного значений. Для двух гироскопов определяется шесть коэффициентов.
6. Внесение в модель погрешности коэффициентов «привязок» в качестве постоянных величин. При этом порядок фильтра снижается с двадцать четвертого до восемнадцатого.
7. Уменьшение скорости вращения объекта до первоначального значения, в данном случае до 180 град/ч.
8. Продолжение измерений сигналов астровизирующего устройства и сигналов датчиков угла гироскопов.
9. Совместная обработка сигналов с использованием фильтра Калмана. Вычисление погрешности системы, коэффициентов модели погрешности, характеризующих уход гироскопов.
10. Продолжение процесса измерений, вычисление погрешности системы, коэффициентов ухода гироскопов с использованием фильтра Калмана, замена в модели погрешности уточняемых коэффициентов ухода гироскопов.
11. Окончательная фиксация в фильтре значений коэффициентов ухода гироскопов соответствующих минимальному значению погрешности системы.
По сравнению со способом-прототипом точность калибровки коэффициентов модели увеличивается, а именно:
- Увеличение точности калибровки коэффициентов «привязок» происходит за счет уменьшения составляющей погрешности от ухода гироскопов (уменьшения интервала времени измерений за счет увеличения скорости вращения объекта).
- Увеличение точности калибровки коэффициентов ухода гироскопов происходит за счет уменьшения составляющей погрешности, вносимой фильтром Калмана, при проведении их вычислений путем сокращения числа выполняемых фильтром вычислительных операций. В способе-прототипе и в предлагаемом способе используется модель погрешности системы, содержащая двадцать четыре калибруемых коэффициента. В способе-прототипе их определение происходит одновременно. В предлагаемом способе процесс калибровки разбит на два этапа. На первом этапе определяются шесть коэффициентов модели, характеризующих «привязки» измерительных осей гироскопов относительно осей астровизирующего устройства без использования фильтра Калмана. Их значения вводят в модель как постоянные величины. Это дает возможность снизить порядок фильтра с двадцать четвертого до восемнадцатого, и уменьшить число выполняемых операций. Соответственно, снижается вносимая фильтром погрешность. На втором этапе определяются только коэффициенты ухода гироскопов. Точность определения коэффициентов ухода гироскопов повышается.
Таким образом, достигается заявляемый технический результат.
На предприятии предлагаемый способ проверен, получены положительные результаты. В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования предлагаемого технического решения при проведении калибровки модели погрешности бескарданных инерциальных систем на ЭСГ в условиях орбитального полета.
Используемая литература:
1. Калибровка погрешностей бескарданной инерциальной системы на электростатических гироскопах в условиях орбитального полета. Б.Е. Ландау, С.С. Гуревич, Г.И Емельянцев, С.Л. Левин, С.Г. Романенко. // Гироскопия и навигация, №1(68), 2010, с. 36-47.
2. Разработка и проверка методики калибровки бескарданной системы ориентации на базе ЭСГ в условиях полета космического аппарата. Белаш А.А., С.С. Гуревич, Г.И Емельянцев, Б.Е. Ландау, С.Л. Левин, С.Г. Романенко, М.И. Гоцуляк. // Материалы XXII Санкт-Петербурской международной конференции по интегрированным навигационным системам, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 25-27 мая 2015.