Способ построения инерциальных демпфированных систем с произвольным периодом, инвариантных по отношению к маневрированию, и устройство для его осуществления
METHOD FOR CONSTRUCTING INERTIAL DAMPED SYSTEMS WITH ARBITRARY PERIOD, INVARIANT WITH RESPECT TO MANEUVERING, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к навигационному приборостроению, а именно к инерциальным системам, и предназначено для повышения автономности их работы.
Известна теорема [1] "Для построения демпфированной инерциальной системы с произвольным периодом, инвариантной по отношению к маневрированию объекта, необходимо вводить в нее внешнюю информацию о скорости и координатах объекта и на основе сравнения этой информации с соответствующей информацией, даваемой инерциальной системой, определять углы и угловые скорости вертикали". Известны инерциальные системы (ИНС) [2], в которых для одновременного обеспечения устойчивости (демпфирования) и невозмущаемости кроме сигналов гироскопов - датчиков угловой скорости (ДУС) и акселерометров (АКС) вводится внешняя информация о линейной скорости объекта. Это может быть сигнал от допплеровского измерителя скорости или от лага [3], но чаще всего используют информацию спутниковых навигационных систем (СНС) [4, 5]. При потере сигнала спутника на время его отсутствия систему переводят из устойчивого состояния в состояние - на границе устойчивости [6] или сохраняют неизменными виртуальные эфемериды спутника [7]. Недостатками таких режимов являются переходные процессы в момент переключения и ограничение времени работы из-за появления накапливающихся ошибок.
Известны схемы [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7], в которых применены перечисленные способы обеспечения невозмущаемости. В качестве прототипа рассмотрим схему [5, с. 184], реализующую алгоритм инерциальной системы с внешней информацией от СНС. Ее недостатком является потеря автономности объектом при связи со спутником.
Задачей изобретения является разработка способа обеспечения невозмущаемости ИНС без привлечения внешней информации о линейной скорости объекта.
Поставленная задача решается путем введения внешней информации об углах наклона объекта относительно вертикали, причем углы вырабатывают двойным интегрированием угловых ускорений с однократной или периодической коррекцией текущих значений по сигналам датчика эталонного угла.
Инерциальная система, реализующая предложенный способ, содержит датчик угловой скорости, акселерометр, источник внешней информации и замкнутый контур из первого интегратора, второго интегратора и регулируемого звена. Контур имеет четыре входа и два выхода, первые вход и выход совпадают с входом и выходом первого интегратора, вторые вход и выход совпадают с входом и выходом второго интегратора, третий вход совпадает с входом регулируемого звена, четвертый вход расположен между выходом регулируемого звена и первым входом. Источник внешней информации через масштабирующие устройства соединен с третьим и четвертым входами. В отличие от прототипа в предлагаемой системе акселерометр соединен с первым входом, датчик угловой скорости через масштабирующее устройство -  вторым входом, а в качестве источника внешней информации введен датчик угла наклона относительно вертикали. Осуществляется перемена мест подключения датчика угловой скорости и акселерометра к замкнутому контуру ИНС, туда, где ДУС обычно стоял, включают АКС, а на место АКСа ставят ДУС, и используется другой источник внешней информации.
Датчик угла наклона состоит из датчика эталонного угла, измерителя текущих углов, суммирующего устройства, устройства сравнения, вычислителя начальных условий и выключателя. Выходом датчика угла наклона является суммирующее устройство, один вход которого соединен с выходом измерителя текущих углов, состоящего из углового акселерометра и соединенных с ним последовательно двух интеграторов. Второй вход суммирующего устройства через выключатель соединен с выходом вычислителя начальных условий, вход которого соединен с выходом устройства сравнения. Входы устройства сравнения подключены к выходам измерителя текущих углов и датчика эталонного угла. Начальные условия формируются с помощью датчика эталонного угла. Это может быть любой измеритель наклонов: уровень, маятник, гировертикаль или гравиметр.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 отражен принцип реализации способа обеспечения невозмущаемости в соответствии с изобретением. На фиг. 2 приведена схема, полученная путем эквивалентных преобразований принятой за прототип схемы ИНС. На фиг. 1 и фиг. 2 приняты следующие обозначения:
1, 2 - интеграторы с передаточной функцией : 1 - первый интегратор замкнутого контура ИНС, 2 - второй интегратор замкнутого контура ИНС,
3 - регулируемое звено с передаточной функцией ,
4, 5, 6 - масштабирующие устройства,
7, 8, 9, 10 - датчики: 7 - датчик угловой скорости (ДУС), 8 - линейный акселерометр (АКС), 9 - угловой акселерометр (УАК),
10 - датчик эталонного угла,
11, 12 - интеграторы сигналов углового акселерометра,
13 - суммирующее устройство,
14 - устройство сравнения,
15 - вычислитель начальных условий,
16 - выключатель,
ВХ1, ВХ2, ВХЗ, ВХ4 - входы контура ИНС,
ВЫХ1, ВЫХ2 - выходы контура ИНС.
На фиг. 2 также изображены:
17 - спутниковая навигационная система (СНС),
18, 19, 20 - масштабирующие устройства.
Первый интегратор 1, второй интегратор 2 и регулируемое звено 3 соединены в замкнутый контур. Контур имеет четыре входа и два выхода. Вход ВХ1 и выход ВЫХ1 расположены на входе и выходе первого интегратора 1. Вход ВХ2 и выход ВЫХ2 расположены на входе и выходе второго интегратора. Вход ВХ3 расположен на входе регулируемого звена. Вход ВХ4 расположен между выходом регулируемого звена и ВХ1. ВХ2, ВХ3 и ВХ4 соединены с масштабирующими устройствами: ВХ2 - с устройством 4, ВХ3 - с устройством 5, ВХ4 - с устройством 6. На ВХ1 поступает сигнал от линейного акселерометра 8 на фиг.1 или сигнал от ДУСа 7 на фиг. 2. На ВХ2 поступает через масштабирующее устройство 4 сигнал датчика угловой скорости 7 на фиг. 1 или через масштабирующее устройство 18 сигал от АКСа на фиг. 2. На третий и четвертый входы ВХ3 и ВХ4 поступает сигнал от источника внешней информации: через масштабирующие устройства 5 и 6 с суммирующего устройства 13 на фиг. 1 или через масштабирующие устройства 19 и 20 от СНС 17 на фиг. 2. Угловой акселерометр 9, соединенный с двумя последовательно включенными интеграторами 11 и 12, образует измеритель приращений углов. Измеритель приращений соединен с суммирующим устройством 13, второй вход которого подключен к выключателю 16, соединенному с вычислителем начальных условий 15. Вход вычислителя 15 соединен с устройством сравнения углов 14, на которое подаются сигналы с интегратора 12 и датчика эталонного угла 10. На фиг. 1 с ВЫХ1 контура снимается информация о скорости объекта, а с ВЫХ2 - непрерывная информация об углах наклона. На фиг. 2 с ВЫХ1 снимается информация об углах наклона, а с ВЫХ2 - о скорости объекта.
Рассмотрим идеальную работу замкнутого контура, состоящего из первого 1, второго 2 интеграторов и регулируемого звена 3.
Основными измерителями в инерциальных системах являются гироскопы - датчики угловой скорости (ДУС) 7 и акселерометры (АКС) 8. При идеальной работе в условиях движения по поверхности Земли они вырабатывают сигналы, которые можно записать в операторном виде
Где V - линейная скорость по поверхности Земли, α - угол качки.
Проведя замену переменных  и масштабирование , получим сигналы
где  квадрат постоянной времени М. Шулера.
К
Проведя другую замену переменных а=gα и другое масштабирование , получим сигналы
изм
К
В системе (3) изменим порядок следования уравнений и знак при а, в результате получим систему (4) с точностью до обозначений Ω (а), α (- V), совпадающую с (2), но с другим порядком расположения источников сигналов
1
2
3
4
Представим сигналы на входах контура в общем виде U, U, U, U и запишем полные передаточные функции с четырех входов на два выхода
1V
2V
3
4
Рассмотрим контур на фиг. 2, построенный путем эквивалентного преобразования контура ИНС, невозмущаемой за счет введения сигнала СНС, прототипа. Для первого примера примем, что входные сигналы имеют вид U, U (2), а сигнал СНС отсутствует, то есть U=U=0. В этом случае, если в (5) подставить выражения (2), то получим выходные сигналы контура ИНС с короткопериодной гировертикалью, возмущаемой ускорениями pΩ.
Если принять для второго примера, что знаменатель передаточной функции регулируемого звена равен квадрату постоянной времени М. Шулера , то получим ИНС с периодом М. Шулера, на выходе которой разделены сигналы качки и скорости
Для обеспечения того же результата в короткопериодной системе без наложения ограничений на формулу и величину Н, вводят сигнал скорости от СНС
и получают сигналы, идентичные сигналам ИНС с периодом М.Шулера (7)
На схеме фиг. 2 обеспечение невозмущаемости реализуется масштабированием сигнала акселерометра на устройстве 18 с коэффициентом , сигнала СНС 17, поступающего на ВХ3 через устройство 19 с коэффициентом , а - на ВХ4 через устройство 20 с коэффициентом .
На фиг. 1 примем, что входные сигналы контура по ВХ1 и ВХ2 имеют вид (4), то есть ДУС и АКС поменяем местами по сравнению с фиг. 2
С суммирующего устройства 13 поступает сигнал а, а после масштабирования на ВХ3 и ВХ4 поданы сигналы
Подставив эти входные сигналы в (5), получим выходные сигналы короткопериодной невозмущаемой ИНС в виде
Для реализации такой системы масштабирующие устройства 4 и 5 должны иметь коэффициент R, а масштабирующее устройство 6 - коэффициент g.
В качестве независимого датчика угла качки α для получения сигналов (10) используют угловой акселерометр (УАК) 9 с двумя интеграторами 11 и 12, включенными последовательно с ним. Такая схема выработки угла требует знания постоянных интегрирования - начальных условий. Начальные условия вычисляют в блоке 15 при запуске системы. Во время работы периодически, в зависимости от требуемой точности определения координат и качества акселерометра, начальные условия корректируются с интервалом от нескольких часов до нескольких месяцев. Для выработки начальных условий необходимо сигнал с интегратора 12 сравнить с эталонным сигналом датчика 10. В качестве периодически действующего источника эталонного сигнала можно использовать любое угломерное устройство, показания которого в данный момент наиболее достоверны. Это могут быть как простой кренометр или гировертикаль [5, 6], так и абсолютный [8] или относительный гравиметры [9]. Если на объекте нет гравиметра, то начальные условия вводят от не имеющей внешней информации короткопериодной гировертикали при прямолинейном и равномерном движении объекта или от короткопериодной гировертикали, связанной с СНС. При изменении вектора скорости или затенении спутника такие вертикали возмущаются (6), но рассматриваемая ИНС останется инвариантной к маневрированию объекта, то есть другим способом решается задача, рассмотренная в патентах [6,7]. Для объектов с ограниченным временем действия, связь которых с СНС во время работы невозможна или нежелательна, начальные углы наклона вводят один раз перед стартом от командного прибора.
Технический эффект заключается в том, что предложенная инерциальная система не связана с акустическим или электромагнитным излучением, и при ее работе автономность объекта не нарушается.
Источники информации
1. Боднер В.А., Селезнев В.П., Овчаров В.П. К теории инерциальных демпфированных систем с произвольным периодом, инвариантных по отношению к маневрированию объекта. «Изв. АН СССР», ОТН, Энергетика и автоматика, №3, 1959.
2. Ривкин С.С. Теория гироскопических устройств. Ч II. Л.: Судостроение. 1964. С. 468.
3. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. М.: Наука. 1967.
4. Игнатьев С.В. Гирогоризонткомпас на волоконно-оптических гироскопах с вращением блока чувствительных элементов. // Гироскопия и навигация. - 2001. №3.
5. Дзюба А.Н., Старосельцев Л.П. Концепция построения системы гироскопической стабилизации зенитного телескопа с аналитической коррекцией астрономических наблюдений на основе волоконно-оптических гироскопов. // Материалы 7-й Российской мультиконференции по проблемам управления. - СПб: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2014. - С. 184.
6. Патент RU 2 436 046 2010 08 09. Гирогоризонткомпас с вращением инерциального измерительного блока.
7. Патент RU 2 319 930 2006 03 14. Корректируемая система инерциальной навигации и стабилизации.
8. Патент RU 2 545 311 2013 12 10. Устройство для определения вертикали места.
9. Патент RU 2 343 418 2009 01 10. Устройство для определения углового положения подвижного объекта относительно вектора силы тяжести и способ его использования.