АНАЛИТИЧЕСКИЙ ГИРОКОМПАС ДЛЯ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
ANALYTICAL GYRO-COMPASS FOR QUASI-STATIC MEASUREMENTS

Изобретение относится области приборостроения, а именно к гирокомпасам, вычисляющим азимут и углы наклона направлений, определенным образом связанных с неподвижным относительно Земли (статическим) объектом, на котором гирокомпас установлен. Такими направлениями могут быть, в частности, оси системы координат объекта, линия визирования оптического прибора, установленного вместе с гирокомпасом на объекте, продольная ось автомобиля и тому подобное. Изобретение может использоваться в геодезии, строительстве, при решении навигационных задач.
Известен волоконно-оптический гирокомпас, содержащий волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), установленный с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости горизонта так, что его вектор чувствительности находится в плоскости горизонта, блок аналого-цифрового преобразования, связанный с блоком обработки и индикации. Дополнительно в него введены устройство вращения, связанное с ВОГ, блок фазовой обработки сигнала ВОГ, блок формирования сигнала частоты и фазы вращения ВОГ и датчик вращения ВОГ, при этом выход ВОГ соединен с входом блока фазовой обработки сигнала ВОГ, вход управления которого соединен с выходом блока формирования сигнала частоты и фазы вращения ВОГ, вход которого соединен с выходом датчика вращения ВОГ, вход которого связан с устройством вращения, а выход блока фазовой обработки сигнала ВОГ подключен к входу блока аналого-цифрового преобразования (патент РФ №2115889, МПК G01C 19/38, G01C 19/64, опубл. 1998.07.20).
Наиболее близким является статический лазерный гирокомпас на основе лазерного гироскопа с магнитооптическим управлением, содержащий основание, платформу, установленную на основании с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной основанию, и фиксации в заданном положении, в котором соотношения между углами системы координат платформы и гирокомпаса известны. На платформе жестко установлены лазерный гироскоп и акселерометр, причем оси чувствительности гироскопа и акселерометра совпадают и перпендикулярны оси вращения платформы, блок измерений, связанный с блоком управления.
Известный лазерный гирокомпас работает следующим образом. Лазерный гирокомпас включают либо по команде с блока управления, либо от внешнего ПК. Измерения проводят в три этапа. На первом этапе измеряют проекции угловой скорости вращения Земли и угол наклона при исходном положении оси чувствительности, совпадающем с измерительной оси гирокомпаса, и определяют предварительный азимут. В блоке измерений регистрируется реальное угловое положение поворотной платформы. Затем в течение 10 сек измеряются наклоны платформы и накапливают показания гироскопа. По ним рассчитывают предварительный азимут оси чувствительности (ОЧ). Если направление ОЧ лазерного гироскопа не совпадает с направлением "запад-восток", то по команде блока управления устанавливают поворотную платформу в оптимальное положение. На втором этапе измеряют проекции угловой скорости вращения Земли и угол наклона при ОЧ, зафиксированной в положении, которое близко к направлению "запад-восток" ("восток-запад") и определяется по предварительному азимуту. В направлении "запад-восток" в течение 230 сек накапливаются показания гироскопа. На третьем этапе ОЧ фиксируют в положении, повернутом на угол 180°. После чего в течение 230 сек повторно производится накопление показаний. По накопленным показаниям угловой скорости рассчитывается азимут, и результат направляется в блок управления или на дисплей внешний ПК. После передачи результата поворотная платформа возвращается в исходное положение (Ю.Д.Голяев, А.И.Исаев, Ю.Ю.Колбас, С.В.Лантратов, В.М.Минзар, Г.И.Телегин. Гирокомпас на основе лазерного гироскопа с магнитооптическим управлением, Электроника, №8 (74), 2006 г., с.66-71 - прототип, адрес в Интернете: http://www.electronics.ru/issue/2006/8/14).
Недостатком известных гирокомпасов является невысокая достоверность результатов вычисления азимута из-за невозможности строго фиксировать объект относительно Земли. Под действием ветра, из-за проседания почвы или деформации конструкции в процессе измерения происходит дополнительное вращение объекта, что приводит к большим ошибкам вычисления азимута. Причина ошибки связана с тем, что скорость вращения Земли, проекция которой на оси чувствительности гироскопа измеряется, является относительно небольшой величиной и поэтому даже небольшая погрешность измерения гироскопа приводит к большой относительной погрешности измерения угловой скорости, а затем азимута. При повороте объекта вокруг оси чувствительности гироскопа на одну угловую секунду за время измерения, равное одной минуте, ошибка измерения азимута составит величину около десять угловых минут. Величина этой ошибки обратно пропорциональна времени измерения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности измерения азимута с точностью 1′ (одна угловая минута) за 5-10 минут измерения при квазистатическом положении объекта.
Поставленная техническая задача решается тем, что в аналитическом гирокомпасе для квазистатических измерений, включающем основание, платформу, установленную на основании с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной основанию, и фиксации в заданном положении, закрепленные на платформе гироскоп и акселерометр, ось чувствительности которого перпендикулярна оси вращения платформы, блок обработки информации, блок управления платформой, согласно заявляемому изобретению гироскоп закреплен на платформе посредством узла крепления, расположенного выше центра тяжести гироскопа и включающего одноосный подвес или двухосный карданов подвес.
Кроме того, аналитический гирокомпас для квазистатических измерений дополнительно снабжен полым корпусом, размещенным на основании или платформе, внутри которого закреплен гироскоп таким образом, что узел крепления расположен выше центра тяжести гироскопа.
Кроме того, одноосный подвес выполнен в виде стержня с, по меньшей мере, одним подшипником, посредством которого гироскоп соединен со стержнем таким образом, что ось вращения гироскопа на подшипнике перпендикулярна оси чувствительности гироскопа, или в виде стержня с, по меньшей мере, двумя подшипниками, посредством которого гироскоп соединен со стержнем таким образом, что его ось чувствительности направлена вдоль стержня.
Кроме того, карданов подвес выполнен в виде двух последовательно соединенных под прямым углом одноосных подвесов, причем один стержень посредством подшипников прикреплен к платформе, а на втором стержне посредством подшипников закреплен гироскоп.
Кроме того, платформа может быть выполнена в виде полого корпуса, внутри которого закреплен гироскоп таким образом, что узел крепления расположен выше центра тяжести гироскопа.
Кроме того, основание может быть выполнено в виде полого корпуса, внутри которого закреплен гироскоп таким образом, что узел крепления расположен выше центра тяжести гироскопа.
Техническим результатом, достижение которого обуславливается осуществлением всей заявляемой совокупности существенных признаков, является обеспечение устойчивого положения гироскопа таким образом, что при повороте объекта не происходит вращения гироскопа вокруг его оси чувствительности, что дает возможность повышения точности измерения азимута с точностью 1′ (одна угловая минута) за 5-10 минут измерения при углах перемещения основания в несколько угловых секунд.
Изобретение поясняется чертежами, где
На фиг.1 представлен аналитический гирокомпас для квазистатических измерений с одноосным подвесом.
На фиг.2 представлен аналитический гирокомпас для квазистатических измерений с двуосным кардановым подвесом.
На фиг.3. представлен пример выполнения аналитического гирокомпаса для квазистатических измерений, в котором платформа выполнена в виде полого корпуса.
Аналитический гирокомпас для квазистатических измерений (фиг.1) включает основание 1, платформу 2, установленную на основании с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной основанию, и фиксации в заданном положении, закрепленные на платформе 2 гироскоп 3 и акселерометр 4, ось чувствительности которого перпендикулярна оси вращения платформы, блок обработки информации и блок управления платформой (на чертежах блоки не показаны).
Для крепления подвеса на платформе 2 в случае размещения гирокомпаса под платформой в нижней части платформа 2 снабжена дополнительным плоским элементом в виде площадки 5, который жестко соединен валом с нижней частью платформы. Подвес крепится снизу этой площадки 5.
Гироскоп 3 закреплен на платформе посредством узла крепления, расположенного выше центра тяжести гироскопа и включающего одноосный подвес (фиг.1) или двухосный карданов подвес (фиг.2)
Благодаря предложенному размещению узла крепления, с одной стороны, гироскоп имеет возможность свободно вращаться вокруг своей оси чувствительности и занимать под действием собственного веса положение устойчивости, из-за чего не происходит вращения гироскопа вокруг оси чувствительности при нештатном вращении объекта, приводящего к большой ошибке измерения азимута гирокомпасом, а, с другой стороны, подвес ограничивает вращение гироскопа относительно платформы таким образом, что по показаниям гироскопа и акселерометра однозначно определяются искомые гирокомпасом азимут и углы наклона. В случае применения одноосного подвеса при неподвижной платформе гироскоп не имеет возможности вращаться вокруг осей, перпендикулярных оси чувствительности, а в случае применения двухосного подвеса ось чувствительности гироскопа лежит в плоскости горизонта и при неподвижной платформе ось чувствительности гироскопа не может вращаться в плоскости горизонта.
Гирокомпас снабжен полым корпусом 6, который в зависимости от расположения гироскопа размещен на основании 1 или платформе 2. Гироскоп устанавливается в корпусе 6 таким образом, что узел крепления всегда расположен выше центра тяжести гироскопа. Полый корпус может быть выполнен прямоугольной, кубической или цилиндрической формы.
Либо в виде полого корпуса может быть выполнена платформа 2 (например, как показано на фиг.3) или основание 3 (например, как показано на фиг.1 и 2).
Одноосный подвес выполнен в виде стержня 7 с, по меньшей мере, одним подшипником 8, посредством которого гироскоп 3 соединен со стержнем 7, таким образом, что ось вращения гироскопа на подшипнике перпендикулярна оси чувствительности гироскопа.
Кроме того, одноосный подвес может быть выполнен в виде стержня с, по меньшей мере, двумя подшипниками, посредством которого гироскоп соединен со стержнем таким образом, что его ось чувствительности направлена вдоль стержня (как показано на фиг.1).
Карданов подвес (фиг.2) выполнен в виде двух последовательно соединенных под прямым углом одноосных подвесов, причем один стержень 7 посредством подшипников 9 прикреплен к платформе 2 (либо к площадке 5 в нижней части платформы 2), а на втором стержне 10 посредством подшипников закреплен гироскоп 3.
Конструкция с двухосным кардановым подвесом юстируется с использованием груза 11 (фиг.2) таким образом, чтобы ось чувствительности гироскопа лежала в горизонтальной плоскости. В заявляемой конструкции при поворотах объекта ось чувствительности гироскопа всегда остается в плоскости горизонта.
Вращение платформы 2 обеспечивается двигателем 14. Фиксация платформы 2 в заданном положении осуществляется с использованием стоек 12 для фиксации положения платформы 2 и управляемого фиксатора 13 платформы 2,
Выбор подвеса не влияет на последовательность операций измерения. Для каждого вида подвеса выбирают известные формулы, по которым проводятся расчеты.
Расчеты показали, что если задают вектор, неподвижный в системе координат платформы, и азимут этого вектора совпадает с азимутом оси чувствительности гироскопа, то при наклонах и поворотах объекта несмотря на то, что гироскоп дополнительно поворачивается относительно платформы, азимуты вектора и оси чувствительности гироскопа останутся между собой равными. Это позволяет вычислять азимут первого положения, в частности, для конструкции с одноосным подвесом по формуле (1) и для конструкции с двухосным кардановым подвесом, полагая ускорение, равным нулю, по формуле 2:
где N=1, если ось чувствительности (ОЧ) направлена на Восток и N=2, если ОЧ направлена на Запад,
Ω [′′/с] - результат измерения угловой скорости гироскопом, равный скалярному произведению вектора скорости вращения Земли  на единичный вектор ОЧ гироскопа, [′′/с] - угловая секунда, деленная на единицу времени, выраженную в секундах;
а
2
[м/с] - результат измерения ускорения акселерометром, равный скалярному произведению вектора мнимого ускорения свободного падения  на единичный вектор ОЧ акселерометра (АК), по которому может быть определен угол наклона ОЧ АК относительно плоскости горизонта ;
2
0
g≈9.8 [м/с] и Ω=15,0407 [′′/с] - модули векторов ускорения свободного падения и скорости вращения Земли соответственно (при вычислениях дополнительно учитывается зависимость величины g от широты местности и высоты нахождения объекта относительно уровня моря);
φ - широта местности, величина которой либо задается, либо может быть вычислена по результатам двух измерений в неколлинеарных направлениях ОЧ.
С помощью вычисленного по формуле 1 или 2 азимута первого положения определяется разность азимутов между искомым (первым) и остальными направлениями, в которых производятся измерения.
Если объект наклонен и ОЧ гироскопа направлена в сторону Севера или Юга, то, платформу 2 поворачивают с использованием двигателя 14 так, чтобы ОЧ гироскопа была направлена в сторону Востока или Запада. Разность между азимутом в первом и основном измерительном положениях вычисляют по показаниям акселерометра (АК) в этих положениях по формуле:
где ϕ - угол поворота платформы между 1-ми 2-м положением фиксации,
а
а
1
2
,  - измеренные ускорения в 1-м и 2-м положениях.
В итоге азимут искомого первого положения вычисляется по формуле (4):
Сравнивая два значения разности азимутов между положением 1 и 2 для случаев, когда ОЧ направлена на Восток и на Запад, определенные по формуле (2), с правильным значением, определенным по формуле (4), однозначно определяют направление ОЧ в первом положении и в любых заданных положениях фиксации статических положений платформы 2 относительно основания 1.
В заявляемой конструкции аналитического гирокомпаса для квазистатических измерений могут быть использованы все виды гироскопов: механические гироскопы, волоконно-оптические гироскопы, лазерные гироскопы и иные гироскопы.
Использование заявляемого изобретения позволяет повысить точность измерения азимута с точностью 1′ (одна угловая минута) за 5-10 минут измерения при углах перемещения основания в несколько угловых секунд за счет обеспечения устойчивого положения гироскопа таким образом, что при повороте объекта не происходит вращения гироскопа вокруг его оси чувствительности.