СПОСОБ ГИРОКОМПАСИРОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
METHOD FOR GYRO COMPASSING USING ANGULAR VELOCITY SENSOR

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании гирокомпасов аналитического типа.
Известны способы гирокомпасирования с использованием датчика угловой скорости (ДУС), состоящие в последовательном изменении ориентации ДУС с последующими измерениями различных параметров его выходного сигнала [Патент №2267748, RU, 2006 г. Способ гирокомпасирования с применением гироскопического датчика угловой скорости при неточной выставке гироскопа на объекте /Джанджгава Г.И. и др.; Патент №2210743,RU, 2003 г. Способ гирокомпасирования с применением гироскопического датчика угловой скорости, установленного на свободную в азимуте и стабилизированную в плоскости местного горизонта платформу / Редькин С.П.; Патент №2194948, RU, 2002 г. Способ алгоритмической компенсации погрешности гирокомпасирования с применением гироскопического датчика угловой скорости / Редькин С.П.]. Недостатками их являются сложность измерений и возможность использования только гироскопического ДУС. Известны способы гирокомпасирования с использованием ДУС, состоящие в реверсном изменении оси чувствительности ДУС относительно плоскости местного меридиана с последующим суммированием сигналов измерения [В.В. Серегин, P.M. Кукуев. Лазерные пирометры и их применение. М.: Машиностроение, 1990]. Недостатками их является невозможность компенсации широкополосных случайных помех измерения и низкая точность. Известен способ гирокомпасирования с использованием ДУС, состоящий в последовательном повороте оси чувствительности ДУС относительно направления местного меридиана на заданные углы [Ю. Голяев, А. Исаев, Ю. Колбас, С. Лантратов, В. Минзар, Г. Телегин. Гирокомпас на основе лазерного гироскопа с магнитооптическим управлением // Электроника. №8. 2006 г.] с последующим определением направления местного меридиана по максимуму выходного сигнала. Недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная трудностью определения истинного максимума из-за нестационарных случайных помех в выходном сигнале ДУС.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ гирокомпасирования с использованием ДУС, состоящий в том, что после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта осуществляется последовательный дискретный поворот оси чувствительности ДУС на заданные углы в направлении плоскости местного меридиана (n-1) раз, в каждом очередном положении оси чувствительности ДУС осуществляется низкочастотная фильтрация выходного сигнала ДУС в течение фиксированного интервала времени, после чего осуществляется попарное вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, и прекращение поворота определяется или достижением заданного значения величины n, или изменением знака разности сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, при этом до начала процесса гирокомпасирования рассчитываются точные разности значений проекций угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС для всех возможных соседних значений углов ее ориентации относительно плоскости местного меридиана в заданном интервале их изменения, из массива которых методом перебора осуществляется выбор (n-1) последовательных значений точных разностей проекций угловой скорости Земли, максимально совпадающих по заданному критерию совпадения с рядом соответствующих значений разностей сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, после чего определяется угол относительно плоскости местного меридиана, соответствующий n-му точному значению проекции угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС, который с высокой точностью является углом азимута n-го положения оси чувствительности ДУС [Патент №2698567, RU, 2019 г. Способ гирокомпасирования с применением датчика угловой скорости / Соколов С.В., Погорелов В.А., Савенкова Е.В., Шаталов А.Б., Гашененко И.Н.]. Недостатком данного способа являются большие вычислительные затраты и низкое быстродействие за счет необходимости реализации (n-1) последовательных дискретных поворотов оси чувствительности ДУС на заданные углы.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи уменьшения вычислительных затрат и повышения быстродействия при определении направления местного меридиана с использованием ДУС.
Поставленная задача возникает при разработке гирокомпасов аналитического типа для навигационных систем и систем начальной ориентации навигационно-измерительных комплексов. Для обеспечения высокой точности определения направления местного меридиана с использованием ДУС предлагается способ, использующий после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта последовательный дискретный поворот оси чувствительности ДУС в направлении плоскости местного меридиана, в каждом положении оси чувствительности ДУС низкочастотную фильтрацию выходного сигнала ДУС в течение фиксированного интервала времени и вычитание сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС, при этом дискретный поворот оси чувствительности ДУС осуществляется один раз, а разность сигналов, полученных в соседних угловых положениях оси чувствительности ДУС и прошедших низкочастотную фильтрацию, делится на известный постоянный множитель с применением к полученному частному операции арксинуса и сложения результата с известной константой, в результате чего с высокой точностью определяется угол относительно плоскости местного меридиана (угол азимута) последнего (второго) положения оси чувствительности ДУС.
Выходной сигнал Z большинства современных датчиков угловой скорости (гироскопических, лазерных, волоконно-оптических и др.) в режиме гирокомпасирования может быть представлен в следующем виде:
Z=ω+S+W,
где ω=Ω cos ϕ cos А - проекция угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС, Ω - угловая скорость вращения Земли, ϕ - широта места, А - азимутальный угол оси чувствительности ДУС;
S=const - постоянная случайная помеха,
W - широкополосная случайная помеха.
0
i
Для реализации предложенного способа гирокомпасирования после начальной выставки оси чувствительности ДУС в плоскость местного горизонта из исходного положения с неизвестным азимутальным углом А осуществляется дискретный разворот оси чувствительности ДУС на заданный угол Δ относительно плоскости местного меридиана. Как в исходном, так и в последующем положениях оси чувствительности ДУС осуществляется низкочастотная фильтрация выходного сигнала ДУС Z (например, с использованием фильтра Баттерворта высокого порядка) в течение фиксированного интервала времени, зависящего от частоты съема измерений ДУС. По окончании процесса фильтрации выходной сигнал ДУС в исходном и последующем i-х положениях (i=0,1) Z становится равным:
i
i
Z=ω+S,
i
i
где ω=Ω cos ϕ cos A,
i
A - неизвестный азимутальный угол оси чувствительности ДУС в i-м положении.
i
Далее осуществляется вычитание сигналов Z, i=0,1, полученных в исходном и последующем угловых положениях оси чувствительности ДУС (относительно меридиана отличающихся на Δ):
1
Из полученного значения разности δ путем деления на постоянный множитель  с последующим использованием операции арксинуса и сложения с известной константой  определяется угол А:
который с высокой точностью (в силу независимости значения δ от вышеперечисленных помех) и будет углом азимута последнего (второго) положения оси чувствительности ДУС.