Бесплатформенная интегрированная инерциальная курсовертикаль

Полезная модель относится к области приборостроения и может найти применение в малогабаритных бесплатформенных интегрированных инерциальных курсовертикалях (далее - курсовертикаль) для вертолетов и легких самолетов.
Существует класс авиации общего назначения, в который входят вертолеты и самолеты, характеризующиеся небольшим взлетным весом и малым количеством перевозимых пассажиров, что в свою очередь накладывает особые требования к массогабаритным характеристикам, энергопотреблению и стоимости бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) и его эксплуатации.
В настоящее время даже для малой авиации требования к точности определения пространственного положения и навигации постоянно растут. Это связано с потребностью увеличивать экономичность и безопасность полетов, иметь возможность совершать их по оптимальной траектории, летать в автоматическом режиме в контролируемом воздушном пространстве центрами УВД (управление воздушным движением). Но в связи с ограниченным объемом пространства на борту данных л.а. разместить на них объемные и тяжелые блоки навигационных систем очень сложно, к тому же, техническое обслуживание данных систем очень дорого.
3
Поэтому на легких самолетах и вертолетах в основном используют навигационные системы типа курсовертикаль. Чаще всего используют курсовертикали, построенные на основе волоконно-оптических гироскопов и микроэлектромеханических датчиков с занимаемым объемом до 1,5 дм, что делает курсовертикали достаточно компактными.
-3
-3
Известна бесплатформенная инерциальная курсовертикаль, описанная в патенте РФ №2487318, МПК G01C 21/12, 14.02.2012 «Бесплатформенная инерциальная курсовертикаль на чувствительных элементах средней точности», в которой под чувствительными элементами средней точности понимаются датчики угловой скорости (ДУС) с нестабильностью дрейфа 0,5-10 град/ч и датчики линейного ускорения (ДЛУ) с нестабильностью нуля (l⋅10-4⋅10)g.
Данная курсовертикаль содержит блок чувствительных элементов, устройство вычисления и формирования, содержащее две вычислительные платформы, реализующее навигационные решения счисления курса, углов крена и тангажа для различных этапов полета и магнитный компас. Первая платформа формирует навигационное решение для крейсерского режима, вторая для режима маневрирования. В каждой вычислительной платформе реализован базовый алгоритм вычисления параметров угловой ориентации и алгоритмы управления демпфированием ошибок в зависимости от режима полета. Управление демпфированием ошибок в обеих вычислительных платформах производится в зависимости как от текущих составляющих горизонтальных ускорений, измеренных блоком чувствительных элементов, так и от оценок ошибок ускорений, сформированных адаптивным фильтром Калмана, входящим в устройство вычисления и формирования.
Основным недостатком данного прототипа является использование в обеих вычислительных платформах при вычислении пространственной ориентации в базовом алгоритме, определение коэффициентов демпфирования и оценок ошибок, значений линейных ускорений от одного блока чувствительных элементов, датчики которого имеют инструментальные погрешности, такие как нестабильность масштабного коэффициента, температурную нестабильность выходных сигналов, требующие для их эффективной коррекции альтернативного источника измерения линейных ускорений.
Многолетняя эксплуатация и летные испытания курсовертикалей выявили, что максимальная погрешность при определении углового положения л.а. приходится на наиболее уязвимый посадочный режим и на этап взлета, что объясняется неустойчивым положением л.а. из-за недостаточной подъемной силы при его малой скорости и как следствие коротко-периодическими изменениями угловых скоростей и линейных ускорений, а также на режиме «висения» для вертолета.
Настоящее техническое решение направлено на создание бесплатформенной интегрированной инерциальной курсовертикали, обладающей лучшими техническими характеристиками по точности определения углового положения л.а. в пространстве, по точности определения коэффициентов демпфирования ошибок линейных скоростей и ускорений в течение крейсерского полета, на взлетно-посадочных режимах и в режиме «висения» для вертолета, снижение габаритно-массовых характеристик.
Технический результат заключается в снижении габаритно-массовых характеристик, а также в улучшении технических характеристик, обеспечивающих высокую надежность и безопасность пилотирования л.а. на всех этапах полета.
Указанный технический результат достигается за счет того, что бесплатформенная интегрированная инерциальная курсовертикаль содержит установочный модуль, датчик магнитного курса, блок курсовертикали, взаимодействующие между собой, блок курсовертикали содержит модуль инерциальных измерительных датчиков, модуль вычисления и формирования и модуль питания, взаимодействующие между собой, причем модуль инерциальных измерительных датчиков содержит блок чувствительных элементов измерения линейных ускорений, блок чувствительных элементов измерения угловых скоростей, датчики температуры чувствительных элементов, блок преобразований и калибровки сигналов чувствительных элементов измерительных датчиков, модуль вычисления и формирования содержит первую вычислительную платформу, мастер фильтр, вторую вычислительную платформу, содержащую блок обработки и коммутации, блок дифференцирования, блок пересчета ускорений из связанной в навигационную систему координат, блок вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат, блок формирования сигналов демпфирования, адаптивный фильтр Калмана, первый блок кватернионных вычислений, второй блок кватернионных вычислений, третий блок кватернионных вычислений, причем модуль инерциальных измерительных датчиков, модуль вычисления и формирования, модуль питания снабжены встроенными средствами контроля работоспособности.
На фиг. 1 представлена блок-схема бесплатформенной интегрированной инерциальной курсовертикали, где
1 - установочный модуль,
2 - датчик магнитного курса,
3 - блок курсовертикали,
4 - модуль инерциальных измерительных датчиков,
5 - блок чувствительных элементов измерения линейных ускорений,
6 - блок чувствительных элементов измерения угловых скоростей,
7 - датчики температуры чувствительных элементов измерительных датчиков,
8 - блок преобразований и калибровки сигналов чувствительных элементов измерительных датчиков,
9 - модуль питания,
10 - модуль вычисления и формирования,
11 - первая вычислительная платформа,
12 - вторая вычислительная платформа,
13 - мастер фильтр,
14 - бортовое радиоэлектронное оборудование.
На фиг. 2 представлена блок-схема второй вычислительной платформы, где
15 - блок обработки и коммутации,
16 - блок дифференцирования,
17 - адаптивный фильтр Калмана,
18 - блок пересчета ускорений из связанной системы координат в навигационную,
19 - блок вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат,
20 - блок формирования сигналов демпфирования,
21 - первый блок кватернионных вычислений,
22 - второй блок кватернионных вычислений,
23 - третий блок кватернионных вычислений.
Бесплатформенная интегрированная инерциальная курсовертикаль предназначена для непрерывного определения пилотажно-навигационной информации о положении л.а. в пространстве.
Установочный модуль 1 представляет собой моноблочное изделие, предназначенный для записи и хранения в нем информации о коэффициентах коррекции по крену γ, тангажу  и курсу H бесплатформенной интегрированной инерциальной курсовертикали, определяемые при ее первичной установке на борту л.а.
Датчик магнитного курса 1 представляет собой моноблочное изделие, предназначенный для измерения магнитного курса л.а. относительно горизонтальных составляющих магнитного поля Земли.
Блок курсовертикали 3 представляет собой моноблочное изделие, предназначенный для непрерывного определения пилотажно-навигационной информации о положении л.а. в пространстве. Блок курсовертикали 3 имеет модульный принцип построения и содержит функционально законченные, съемные, взаимозаменяемые модули - модуль инерциальных измерительных датчиков 4, модуль вычисления и формирования 10 и модуль питания 9, взаимодействующие между собой, причем модуль инерциальных измерительных датчиков 4, модуль вычисления и формирования 10 и модуль питания 9 снабжены встроенными средствами контроля работоспособности.
Модуль инерциальных измерительных датчиков 4 представляет собой моноблочное изделие, включающий взаимодействующие между собой блок чувствительных элементов измерения линейных ускорений 5 на основе микромеханических датчиков измерения линейного ускорения, блок чувствительных элементов измерения угловых скоростей 6 на основе волоконно-оптических датчиков измерения угловой скорости, датчики температуры чувствительных элементов блока 7, блок преобразований и калибровки сигналов чувствительных элементов измерительных датчиков 8, предназначенный для коррекции и преобразования информации от блоков чувствительных элементов 5, 6 с учетом информации от датчиков температуры чувствительных элементов блока 7 и поправочных коэффициентов от установочного модуля 1 в цифровой код, а также проведения контроля собственной работоспособности в наземных условиях и в полете с выдачей информации о техническом состоянии всех входящих в данный модуль устройств.
Модуль питания 9 представляет собой моноблочное изделие, содержащее устройства защиты и фильтрации, ограничения и стабилизации напряжения, бесперебойного питания и предназначен для объединения входных напряжений питания бортовой сети от двух независимых каналов системы электроснабжения и фильтрации, для формирования вторичных напряжений каждого элемента, входящего в курсовертикаль, а также для контроля формирования вторичных напряжений питания и выдачи сигнала исправности питания.
Модуль вычисления и формирования 10 представляет собой совокупность программно-аппаратных устройств, взаимодействующих между собой и включает первую вычислительную платформу 11, вторую вычислительную платформу 12 и мастер фильтр 13.
Первая вычислительная платформа 11 представляет собой программный модуль, включающий блоки кватернионных вычислений, блок пересчета ускорений, вычисления скоростей, блок формирования сигналов демпфирования и т.д., осуществляющий вычисление параметров пространственного положения преимущественно в крейсерском режиме пилотирования л.а.
Вторая вычислительная платформа 12 представляет собой программный модуль, осуществляющий вычисление параметров ориентации преимущественно в режиме маневрирования, взлета, посадки, режима малых скоростей до 140 км/ч, а также в режиме «висения» и включающий взаимодействующие между собой блок коммутации и обработки 15, блок дифференцирования 16, адаптивный фильтр Калмана 17, блок пересчета ускорений из связанной системы координат в навигационную 18, блок вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат 19, блок формирования сигналов демпфирования, первый блок кватернионных вычислений 21, второй блок кватернионных вычислений 22, третий блок кватернионных вычислений 23.
Мастер фильтр 13 представляет собой программный модуль, осуществляющий комплексирование информации по крену γ, тангажу  и курсу H от первой и второй вычислительных платформ 11 и 12 и датчика магнитного курса 2.
Бортовое оборудование 14 включает в свой состав систему воздушных сигналов СВС, доплеровский измеритель составляющих вектора путевой скорости и угла сноса ДИСС, информацию которых курсовертикаль использует в своих вычислениях.
Бесплатформенная интегрированная инерциальная курсовертикаль работает следующим образом.
Определение угловой ориентации л.а. осуществляется на основе информации от волоконно-оптических датчиков измерения угловой скорости блока чувствительных элементов измерения угловых скоростей 6 и микромеханических датчиков измерения линейного ускорения блока чувствительных элементов измерения линейных ускорений 5 модуля инерциальных измерительных датчиков 4, входящего в блок курсовертикали 3. Блок преобразований и калибровки сигналов чувствительных элементов измерительных датчиков 8 корректирует с учетом информации от датчиков температуры чувствительных элементов блока 7 и поправочных коэффициентов от установочного модуля 1 и преобразует информацию от блоков чувствительных элементов 5, 6 в цифровой код. Модуль инерциальных измерительных датчиков 4 имеет встроенный контроль собственной работоспособности, а также контроль работоспособности блока чувствительных элементов измерения линейных ускорений 5, блока чувствительных элементов измерения угловых скоростей 6, блока преобразований и калибровки сигналов чувствительных элементов измерительных датчиков 8 с выдачей сигнала исправности и передачей его в модуль вычисления и формирования 10. Модуль инерциальных измерительных датчиков 4 взаимодействует с модулем вычисления и формирования 10.
Датчик магнитного курса 1 производит измерение горизонтальных составляющих магнитного поля Земли и обеспечивает автоматизированную коррекцию сигнала гироскопического курса.
Информация о составляющих магнитного поля Земли поступает в мастер фильтр 13 блока курсовертикали 3.
Установочный модуль 1 осуществляет хранение информации о параметрах первичной установки курсовертикали на л.а., например погрешность установки блока курсовертикали 3 по тангажу , крену γ, рысканью ψ, учет значений которых в конечном итоге влияет на повышение точности вычисления параметров ориентации л.а. курсовертикалью.
Информация о параметрах первичной установки поступает в блок преобразований и калибровки сигналов чувствительных элементов измерительных датчиков 8, модуль инерциальных измерительных датчиков 4.
Модуль вычисления и формирования 10 является платформой общих вычислительных ресурсов и осуществляет прием информации от бортового оборудования 14 и выдачу вычисленных текущих значений по параметрам ориентации л.а. потребителям.
Первая вычислительная платформа 11 осуществляет навигационное решение преимущественно в крейсерском режиме пилотирования л.а. Определение угловой ориентации л.а. осуществляется известным способом на основе измерений модуля инерциальных измерительных датчиков 4 и данных датчика магнитного курса 2. Данная информация обрабатывается в блоке пересчета ускорений, блоке вычисления скоростей, блоке формирования сигналов демпфирования и блоках кватернионных вычислений. Данное навигационное решение поступает в мастер фильтр 13.
Вторая вычислительная платформа 12 осуществляет навигационное решение преимущественно в режиме маневрирования (γ>20°, H>1 град/с), взлета, посадки, режиме малых скоростей до 140 км/ч, а также режиме «висения» для вертолета.
И
E
N
Информация об истинной воздушной скорости V, барометрической высоте H и путевой скорости  формируется в бортовом оборудовании 12 и поступает в блок обработки и коммутации 15, в котором осуществляется ее выбор в зависимости от скорости и высоты полета. На выходе блока обработки и коммутации 15 формируется сигнал о составляющих путевой скорости V, V. Данная информация поступает на вход блока дифференцирования 16 и вход блока вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат 19.
E
N
E
N
В блоке дифференцирования 16 по информации от блока обработки и коммутации 15 путем дифференцирования линейных скоростей определяются составляющие линейных ускорений в навигационной системе координат a, a, поступающие в адаптивный фильтр Калмана 17, в котором проводится оценка ошибок ускорений a, a и их демпфирование, а затем эти сигналы подаются на вход блока формирования сигналов демпфирования 20.
b
Информация об ускорении a от модуля инерциальных измерительных датчиков 4 поступает на вход блока пересчета ускорений из связанной системы координат в навигационную 18, а об угловой скорости  в первый блок кватернионных вычислений 21.
N3
В блоке пересчета ускорений из связанной системы координат в навигационную 18 на основании данных третьего блока кватернионных вычислений 23 формируется информация в виде ускорения a, которая затем поступает на вход блока вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат 19 и на вход адаптивного фильтра Калмана 17.
b
N3
Из блока вычисления линейных и угловых скоростей навигационной системы координат 19 информация об угловой скорости ω в виде ω поступает на вход второго блока кватернионных вычислений 22, куда поступает информация об угловой скорости  и информация от первого блока кватернионных вычислений 21.
0
1
2
3
Первый и второй блоки кватернионных вычислений 21, 22 рассчитывают элементы кватерниона конечного поворота от связанной системы координат к инерциальной (21) а затем от инерциальной системы координат к навигационной 22. По элементам кватерниона конечного поворота q, q, q, q в третьем блоке кватернионных вычислений 23 рассчитываются тангаж , крен γ и курс H.
Данное навигационное решение поступает в мастер фильтр 13.
Мастер фильтр 13 осуществляет комплексирование информации от первой и второй вычислительных платформ 11 и 12 и датчика магнитного курса 2.
Для бесперебойного питания, защиты и фильтрации, ограничения и стабилизации напряжения датчика магнитного курса 2, установочного модуля 1, модуля инерциальных измерительных датчиков 4, модуля вычисления и формирования 10 введен модуль питания 9.
Модуль инерциальных измерительных датчиков 4, модуль вычисления и формирования 10, модуль питания 9 снабжены встроенными средствами контроля работоспособности.
Из вышеприведенного видно, что данное техническое решение обеспечивает высокую надежность и безопасность пилотирования л.а. на всех этапах полета.