СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСШТАБНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА НА ПОВОРОТНОМ СТОЛЕ
METHOD TO DETERMINE SCALE FACTOR OF SOLID-STATE WAVE GYROSCOPE ON ROTARY TABLE

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при производстве твердотельных волновых гироскопов и систем ориентации и навигации на их основе.
В современном гироскопическом приборостроении известны способы измерения характеристик интегрирующих гироскопов в замкнутой системе, работающих на малых углах отклонения чувствительного элемента гироскопа от нулевого значения. Испытания при этом проводят в режиме одноосного гиростабилизатора или в режиме обратной связи по моменту (см. например, книгу У.Ригли, У.Холлистер, У.Денхард. Теория, проектирование и испытания гироскопов, М., 1972, стр.357-371).
Известные способы измерения характеристик интегрирующих гироскопов в замкнутой системе не позволяют в требуемых режимах выполнять испытания интегрирующего твердотельного волнового гироскопа, предназначенного для применения в бесплатформенных системах ориентации или навигации. В этих системах интегрирующий твердотельный волновой гироскоп работает в разомкнутом режиме и для правильной оценки в таком же режиме должны проводиться испытания его характеристик, в частности масштабного коэффициента.
За прототип взят способ определения масштабного коэффициента интегрирующих гироскопов в режиме геометрической стабилизации, (см. книгу Г.А.Сломянский, Ю.Н.Прядилов. Поплавковые гироскопы и их применение, М., 1958, стр.194-199). Режим геометрической стабилизации является частным случаем режима пространственного интегрирования, который имеет место при равенстве нулю тока управления, подаваемого в датчик момента гироскопа.
В этом способе для определения масштабного коэффициента интегрирующего гироскопа на платформу поворотного стола устанавливают одноосный гиростабилизатор. На платформе гиростабилизатора закрепляют испытуемый гироскоп. Выбирают угол поворота платформы гиростабилизатора относительно его основания, испытания гироскопа проводят в режиме геометрической стабилизации. В датчик момента гироскопа подают ток, компенсирующий систематические составляющие скорости дрейфа. Платформе поворотного стола задают знакопостоянную угловую скорость в инерциальном пространстве вокруг оси чувствительности гироскопа. Измеряют время прохождения платформой гиростабилизатора, выбранного углового диапазона. Определяют угловую скорость платформы гиростабилизатора относительно его основания. По отношению угловой скорости платформы гиростабилизатора к угловой скорости поворотной платформы определяют масштабный коэффициент интегрирующего гироскопа.
Однако существующий способ определения масштабного коэффициента интегрирующего гироскопа реализует режим работы гироскопа в замкнутой системе, когда следящая система держит чувствительный элемент гироскопа в нулевом положении. Такой режим работы гироскопов характерен при их применении в платформенных гиросистемах, где гироплатформы работают в режиме гиростабилизатора или в бесплатформенных системах, когда гироскопы работают в режиме обратной связи по току датчика момента. При построении бесплатформенных систем ориентации и навигации используют не замкнутый (свободный) режим работы твердотельного волнового гироскопа. При этом угол υ(t) поворота волны резонатора относительно корпуса неограничен и связан с входной угловой скоростью относительно инерциального пространства соотношением
<mrow><mi>υ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>K</mi><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><mrow><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>K</mi><mi>Δ</mi><mi>Ψ</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
,
где ω(τ) - входная угловая скорость;
К - масштабный коэффициент твердотельного волнового гироскопа;
ΔΨ - угол поворота основания;
При испытаниях гироскопов необходимо применять режим их работы, в котором они работают в системах, для обеспечения достоверности оценки их технических параметров.
Известный способ не позволяет проводить измерение масштабного коэффициента твердотельного волнового гироскопа в требуемом разомкнутом режиме.
В существующем способе для уменьшения погрешности определения масштабного коэффициента выполняют компенсацию систематической составляющей скорости дрейфа гироскопа.
Для этого предварительно определяют в режиме пространственного интегрирования коэффициент крутизны гироскопа по току управления и значение систематической скорости дрейфа, а в рабочем режиме при определении масштабного коэффициента, зная эти параметры, подают в датчик момента ток, который компенсирует систематическую скорость дрейфа. Таким образом, в существующем способе требуется предварительное проведение специальных точных и трудоемких операций по определению коэффициента крутизны по току управления и скорости дрейфа. Ошибки в измерении коэффициента крутизны по току управления и систематической скорости дрейфа, а также нестабильность тока компенсации обуславливают погрешность в определении масштабного коэффициента гироскопа.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении настоящего изобретения, является повышение точности определения масштабного коэффициента твердотельного волнового гироскопа.
Технический результат достигается тем, что в известном способе определение масштабного коэффициента интегрирующего гироскопа, включающем выбор углового промежутка для измерения прецессионного движения гироскопа, измерение времени прецессионного движения и определения скорости прецессии гироскопа на выбранном угловом промежутке, дополнительно устанавливают гироскоп на платформу поворотного стола, равномерно в одном направлении вращают платформу поворотного стола с угловой скоростью больше составляющей угловой скорости Земли на ось чувствительности гироскопа, контролируют угол поворота волны резонатора относительно корпуса гироскопа системой его датчиков угла, при достижении волной резонатора начального угла выбранного промежутка фиксируют изменения угла ориентации волны до момента достижения конечного угла выбранного промежутка, после прохождения волной резонатора конечного угла выбранного промежутка изменяют направление скорости вращения платформы поворотного стола на противоположное, сохраняя ее величину, и с момента подхода волны резонатора к конечному углу выбранного промежутка фиксируют изменения углового положения волны резонатора относительно корпуса до момента достижения волной резонатора начального угла выбранного промежутка, после этого определяют масштабный коэффициент твердотельного волнового гироскопа по формуле
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>ω</mi></mrow></mfrac></mrow>
, где
1
ω - средняя скорость прецессии волны резонатора на выбранном угловом промежутке при вращении платформы поворотного стола в одну сторону;
2
ω - средняя скорость волны резонатора на выбранном угловом промежутке при вращении платформы поворотного стола в другую сторону;
ω - угловая скорость вращения платформы поворотного стола в одном и другом направлении.
з
1
При вращении платформы поворотного стола с угловой скоростью ω, которая по направлению совпадает с проекцией угловой скорости Земли ω на ось чувствительности гироскопа среднюю скорость прецессии волны резонатора ω относительно корпуса гироскопа на выбранном угловом промежутке можно представить
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>K</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>д</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mi>з</mi></msub><mo>+</mo><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
д
где ω - абсолютная скорость дрейфа волны резонатора;
К - масштабный коэффициент гироскопа.
2
Тогда при вращении платформы поворотного стола с противоположной угловой скоростью - ω средняя скорость прецессии волны резонатора ω на выбранном угловом промежутке:
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>K</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>д</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mi>з</mi></msub><mo>−</mo><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Вычитая выражение (2) из выражения (1), получим
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>K</mi><mi>ω</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
При вычитании скоростей прецессии при обратном вращении платформы из скорости прецессии при прямом вращении происходит автономная компенсация скорости дрейфа гироскопа.
Тогда согласно (3) масштабный коэффициент:
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>ω</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, предлагаемый способ определения масштабного коэффициента твердотельного волнового гироскопа на поворотном столе имеет следующие отличия от известного способа:
- в операции установки гироскопа выполняется новое действие, связанное с установкой непосредственно на поворотную платформу, а не на платформу гиростабилизатора, как в прототипе;
- действия, связанные с запуском и последующей работой гироскопа выполняют при его работе в разомкнутом режиме, в то время как в прототипе гироскоп работает в замкнутом режиме;
- действия, связанные с вращением поворотной платформы, выполняют отличным от прототипа способом, добавив вращение в обратном направлении;
- измерение прецессионного движения производят новыми действиями, снимая информацию с датчиков угла гироскопа, а не с датчика угла платформы гиростабилизатора как в прототипе;
- измерение скорости прецессии гироскопа производят как при прямом, так и обратном вращении поворотной платформы, а не только при прямом вращении как в известном способе;
- компенсация скорости дрейфа происходит автономным методом путем ее исключения при вычитании измеренной скорости прецессии при обратном вращении из скорости прецессии при прямом вращении поворотной платформы, а не подачей компенсационного тока в датчик момента гироскопа, как в прототипе;
- масштабный коэффициент гироскопа определяют по новой аналитической зависимости, представляющей отношение разностей скоростей прецессии при прямом и обратном вращении поворотной платформы к двойной скорости поворотной платформы.
Скорость дрейфа твердотельного волнового гироскопа зависит от углового положения волны резонатора относительно корпуса.
Поэтому для обеспечения равенства средних значений систематических составляющих скоростей дрейфа при вращении поворотного стола в разных направлениях измерение скорости прецессии гироскопа производят на одном и том же угловом промежутке.
Погрешность определения масштабного коэффициента твердотельного волнового гироскопа предлагаемым способом можно представить в виде
<mrow><mi>Δ</mi><mi>K</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mn>1</mn><mi>и</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mn>2</mn><mi>и</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mi>и</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>ω</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ω</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>−</mo><msub><mi>К</mi><mi>и</mi></msub></mrow>
,
где
и
К - истинное значение масштабного коэффициента;
ΔК - погрешность определения масштабного коэффициента;
1и
ω - истинная скорость прецессии волны резонатора относительно корпуса при прямом вращении поворотной платформы;
1
Δω - погрешность измерения истинной скорости прецессии волны резонатора относительно корпуса при прямом вращении поворотной платформы;
2и
ω - истинная скорость прецессии волны резонатора относительно корпуса при обратном вращении поворотной платформы;
2
Δω - погрешность измерения истинной скорости прецессии волны резонатора относительно корпуса при обратном вращении поворотной платформы;
и
ω - истинная угловая скорость поворотной платформы при прямом и обратном вращении;
Δω - погрешность определения суммы прямой и обратной скорости вращения поворотной платформы;
д
Δω - остаточная погрешность автономной компенсации скорости дрейфа гироскопа;
Использование современного испытательного оборудования позволяет практически реализовать предлагаемый способ. Так, для оценки масштабного коэффициента твердотельного волнового гироскопа применяют наклонно-поворотный стол «ACUTRONIC», который обеспечивает скорость вращения платформы до 1000 7 с и погрешность измерения угловой скорости вращения не более 0,0001%.
Требуемый диапазон угловых скоростей для современных высокоманевременных объектов составляет ±500 °/с.
д
При измерениях масштабного коэффициента при угловых скоростях, сравнимых с угловой скоростью Земли (15°/ч), расчеты с использованием выражения (4) показывают, что при использовании наклонно-поворотного стола «ACUTRONIC» погрешность определения масштабного коэффициента может быть обусловлена только практически возможной остаточной скоростью дрейфа Δω после его автономной компенсации.
Для определения масштабного коэффициента с погрешностью не более 0,01% остаточная скорость дрейфа не должна превышать 0,001 °/ч, что, как показывают исследования, точные твердотельные волновые гироскопы обеспечивают.
При определении масштабного коэффициента при скоростях 500 °/с погрешность его измерения обуславлена погрешностью измерения угловой скорости вращения поворотного стола.
Для погрешности определения масштабного коэффициента в пределах 0,01% на угловых скоростях поворотной платформы ±500 °/с погрешность измерения ее угловой скорости не должна превышать 180 °/ч, что также обеспечивается при использовании выбранного поворотного стола (погрешность поворотного стола при скорости 500 °/с соответствует 1,8 °/ч).
Таким образом, предлагаемый способ реализуем на современном оборудовании и обеспечивает требуемую точность измерения масштабного коэффициента твердотельного волнового гироскопа.
Использование предлагаемого способа определения масштабного коэффициента твердотельного волнового гироскопа на поворотном столе обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
а) возможность определения масштабного коэффициента твердотельного волнового гироскопа при требуемых входных угловых скоростях в реализуемом режиме, который является его рабочим режимом в системах ориентации и навигации;
б) снижение стоимости оборудования для определения масштабного коэффициента за счет исключения из его состава дорогостоящего стабилизатора;
в) повышение точности оценки определения масштабного коэффициента за счет организации измерений в условиях, близких к условиям эксплуатации.