СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГИРОДАТЧИКОМ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ТАНГАЖА, УСТАНОВЛЕННЫМ НА ЛЕТАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL PITCH ANGULAR SPEED USING GYROSCOPIC SENSOR INSTALLED ON AIRCRAFT

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу автоматического управления гиродатчиком угловой скорости тангажа, установленным на летательном аппарате с инерциальной навигационной системой, который способен совершать вращения, а также к летательному аппарату, в частности авиационной ракете, которая оснащена таким гиродатчиком угловой скорости тангажа.
Уровень техники
Известно, что дрейф инерциальной навигационной системы ограничивает дальность ракет. Кроме того, в том случае, если ракета является недорогостоящей ракетой (например, ракета класса «воздух-земля»), то основная задача заключается в сокращении этого дрейфа без использования дополнительного датчика (кроме инерциального блока уже присутствующего на ракете) так, чтобы избежать увеличения стоимости.
Известный способ преодоления этой проблемы состоит в том, чтобы вызвать автоматическое вращение ракеты (всегда в одном и том же направлении) относительно ее продольной оси. Это вращение, в среднем, позволяет устранить большинство дрейфов.
Однако этот обычный способ не является в достаточной степени удовлетворительным, поскольку он не обеспечивает коррекции ошибок масштабного коэффициента гиродатчика угловой скорости тангажа. По этой причине гиродатчик угловой скорости тангажа необходимо заменить гироскопом, который приводит к нескольким дополнительным ограничениям:
- дополнительные расходы (разработка, интеграция и т.д.);
- если инерциальный блок основан на нынешней “вибрационной” технологии (например, на основе MEMS (микроэлектромеханическая система) типа), то гироскоп может работать только при высоких скоростях вращения (более 1000°/с) и сохраняет дрейф порядка 1%, что сводит на нет все преимущества этого решения (дрейф превышает нормальное гирометрическое смещение недорогих MEMS-модулей) и
- если инерциальный блок основан на старой технологии (роторный гироскоп), то в нем не наблюдается никаких ограничений, связанных со скоростью вращения, но эта технология становится устаревшей.
Задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков. Настоящее изобретение относится к способу автоматического управления гиродатчиком угловой скорости тангажа, установленным на летательном аппарате с инерциальной навигационной системой, в частности к авиационной ракете, которая способна совершать вращения, указанный способ управления позволяет избежать необходимости замены гиродатчика угловой скорости тангажа гироскопом, и, следовательно, снижает стоимость, при сопоставимых характеристиках навигации.
С этой целью, в соответствии с настоящим изобретением, указанный способ отличается тем, что при использовании гиродатчика угловой скорости тангажа, указанный летательный аппарат автоматически управляется таким образом, что он может совершать вращения вокруг своей продольной оси, регулярно изменяя направление вращения (каждые n вращений, где n представляет собой целое число, большее или равное 1), таким образом автоматически устраняется влияние масштабного коэффициента гиродатчика угловой скорости тангажа, а также устраняются общие дрейфы, которые корректируются посредством вращения летательного аппарата.
Таким образом, посредством управления летательным аппаратом таким образом, который обеспечивает совершение постоянно изменяющегося вращения, естественным образом устраняется влияние масштабного коэффициента гиродатчика угловой скорости тангажа, установленного на летательном аппарате, в дополнение к другим общим дрейфам, как это описано далее. В отношении этих других дрейфов, в настоящем изобретении они устраняются тем же самым способом, как и в обычном вышеупомянутом способе автоматического вращения в одном направлении.
Необходимость в гироскопе, таким образом, значительно снижается (исчезновение дрейфа по причине масштабного коэффициента гиродатчика угловой скорости тангажа), и настоящее изобретение позволяет далее использовать гиродатчик для различных областей применений. Таким образом, изобретение позволяет снизить расходы, связанные с обеспечением навигационных характеристик, сравнимых с теми, которые предоставляет использование гироскопа.
Изобретение может быть использовано в любых типах ракет с инерциальной навигационной системой, вращение которых возможно без каких-либо других ограничений (дальность, принцип управления и т.д.).
Предпочтительно, чтобы направление вращения чередовалось после каждого поворота летательного аппарата (n=1). Тем не менее возможно также выбрать n больше 1 (менее частое чередование), например, с целью ограничения создаваемой аэродинамической силы.
Настоящее изобретение также относится к летательным аппаратам с инерциальной навигационной системой, в частности к авиационной ракете, которая способна совершать вращения и которая содержит гиродатчик угловой скорости тангажа.
Согласно настоящему изобретению, указанный летательный аппарат отличается тем, что он содержит автоматическое средство управления, для управления указанным летательным аппаратом таким образом, чтобы он мог совершать вращения вокруг своей продольной оси, при постоянной смене направления вращения, для того, чтобы устранить действие масштабного коэффициента гиродатчика угловой скорости тангажа, а также устранить общие дрейфы, которые корректируются посредством вращения указанного летательного аппарата.
Кроме того, указанные автоматические средства управления, предпочтительно, являются частью обычной автоматической системы управления указанного летательного аппарата, такая система обычно содержит, в том числе, и средства, обеспечивающие вращение летательного аппарата.
Таким образом, изобретение обеспечивает как коррекцию общего дрейфа (как и в случае обычного способа автоматического вращения летательного аппарата), так и дополнительное устранение влияния масштабного коэффициента.
Краткое описание чертежей
Фигуры на прилагаемых чертежах обеспечивают понимание того, каким образом изобретение может быть реализовано. На этих фигурах одинаковыми позициями обозначены схожие элементы.
Фиг.1 частично и очень схематично иллюстрирует ракету, оснащенную гиродатчиком угловой скорости тангажа, к которой применяется настоящее изобретение.
Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий пример управления изменением направления вращения летательного аппарата.
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение, используемое для пояснения эффектов, вызываемых управлением изменения направления вращения летательного аппарата, на измерения гиродатчика угловой скорости тангажа.
Настоящее изобретение применяется на летательном аппарате 1, в частности на авиационной ракете, как показано на фиг.1, например на авиационной ракете с системой навигации инерциального типа, и способной совершать вращения (вокруг своей продольной оси 3, как показано посредством стреки 4), и которая содержит обычный датчик угловой скорости тангажа 2. Настоящее изобретение предназначено для управления работой указанного датчика угловой скорости тангажа 2. Этот датчик угловой скорости тангажа 2 хорошо известен, и его признаки не описаны в нижеследующем описании.
Этот летательный аппарат 1 содержит обычные средства управления 5, которые являются частью обычной системы управления 6 (показана очень схематично на фиг.1) и которые включают в себя все элементы, необходимые для направления и наведения летательного аппарата 1, в частности таким образом, чтобы он мог достигнуть цели и уничтожить ее. Эти средства управления 5, в частности, содержат средства обработки информации, которые автоматически генерируют команды управления, позволяющие летательному аппарату 1 следовать траектории для перехвата цели, и средства изменения направления (не показаны), такие как рули или известные элементы любого другого типа, которые автоматически осуществляют эти команды управления летательным аппаратом 1. Все эти обычные средства хорошо известны и ниже дополнительно не описаны.
Согласно настоящему изобретению, указанный летательный аппарат 1 дополнительно содержит средства автоматического управления 8 для управления вращением указанного летательного аппарата 1 таким образом, что он может совершать вращения вокруг своей продольной оси, постоянно изменяя направление вращения, для того чтобы устранить влияние масштабного коэффициента гиродатчика угловой скорости тангажа. Пример управления по крену p (в рад/с), применяемого в соответствии с настоящим изобретением, показан в качестве иллюстрации на фиг.2.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предоставление летательного аппарата 1 не с однонаправленным вращением вокруг его продольной оси, а с регулярно изменяющимся направлением вращения (каждые n вращений, где n представляет собой целое число, большее или равное 1). Для управления по крену, таким образом, используется периодический сигнал с нулевым средним, в отличие от вышеупомянутого обычного способа, который использует управление с постоянным знаком.
Таким образом, при таком управлении летательным аппаратом 1, которое предназначено для постоянного изменения направления вращения указанного аппарата, влияние масштабного коэффициента гиродатчика угловой скорости тангажа 2, установленного на летательном аппарате 1, устраняется естественным образом, как описано ниже, в дополнение к другим дрейфам. Эти другие дрейфы, в настоящем изобретении устраняются тем же самым способом, как и в обычном вышеупомянутом способе автоматического вращения в одном направлении.
Фиг.3 помогает объяснить коррекцию масштабного коэффициента. На фиг.3 показано:
- ось Т иллюстрирует изменение во времени в процессе полета летательного аппарата 1;
- выше этой оси Т находится система координат R1, содержащая условные оси х1, y1, z1, связанные с летательным аппаратом 1, который подвергается вращению (вокруг оси x1), вызванному управлением, в соответствии с настоящим изобретением, и это вращение осуществляется периодически (при каждом повороте) и поочередно, сначала в одном направлении (-w), а затем в другом направлении (+w);
- ниже этой оси T находится система координат R2, содержащая нормальные (земные) оси x2, y2, z2, которые фиксированы и на которые перемещены произведенные измерения.
На фиг.3 видно, что, благодаря изобретению, систематические ошибки (гирометрические или акселерометрические), которые являются постоянными по оси аппарата, автоматически устраняются в течение периода (один оборот), как это выражение в нормальных осях (навигационный ориентир R2).
Изменение направления вращения (±w) позволяет устранить влияние масштабного коэффициента гиродатчика угловой скорости тангажа 2, которое в противном случае стало бы неприемлемым. В качестве примера, в случае ошибки в 0,1%, и даже при малых w (например, 1 Гц, то есть 2π рад/с), ошибка, генерируемая в течение лишь 60 секунд, будет равна 360°×60×0,001=21,6°, это приводит к неприемлемым последствиям в отношении дрейфов скорости и положения. Решение согласно настоящему изобретению, которое состоит в изменении знака w, позволяет устранить среднее по времени значение этой ошибки.
Необходимость в гироскопе, таким образом, значительно снижается (исчезновение дрейфа по причине масштабного коэффициента гиродатчика угловой скорости тангажа), и настоящее изобретение позволяет далее использовать гиродатчик для различных областей применений. Таким образом, изобретение позволяет снизить расходы связанные с обеспечением навигационных характеристик, сравнимых с теми, которые предоставляет использование гироскопа.
Следует отметить, что:
- проекция оси аппарата, вращающегося относительно нормальных осей, остается постоянной для продольной оси X (в отличии от осей Y и Z): направление x1 остается постоянным и всегда равно +x2 (в отличии от y1, z1, которые соответственно поворачиваются). По этой причине обычное автоматическое вращение не корректирует ошибки в продольном направлении: смещение и масштабный коэффициент гиродатчика X (и акселерометра X);
- для скорости вращения w вокруг X, угловой дрейф в секунду вокруг оси X1=Х2 выражается как Δ+=bgx+fgx.w, где bgx является смещением гиродатчика X, а fgx является масштабным коэффициентом гиродатчика X;
- при таком положении, если ничего не предпринимать, то это значение, таким образом, является постоянным по осям X1 и Х2 и в среднем не устраняется;
- значение bgx имеет место и ничего нельзя предпринять. Тем не менее, установка w=-w позволяет продолжить обеспечивать вращение аппарата 1 (таким образом, устраняются другие дрейфы, корректируемые обычным автоматическим вращением), и, в этом случае, реализовать угловой дрейф в секунду равный Δ-=bgx-fgx.w.
Значение bgx остается. Тем не менее, значение fgx аннулируется в среднем за проход туда-обратно (при x1=x2, это верно для вращающейся системы координат и неподвижной системы координат земли).
Настоящее изобретение, которое относится к ведению и инерциальной навигации летательного аппарата 1, а более конкретно к управлению (ограничению) инерционного дрейфа во время полета, может быть применено к любому типу ракет с инерциальной системой навигации, вращение которых возможно без каких-либо других ограничений (дальность, принцип управления и т.д.).
В примере на фиг.2, которая иллюстрирует управления по крену p (в рад/с), как функцию времени t (в секундах), предусмотрено изменение направления после каждого поворота, совершенного летательным аппаратом 1 вокруг его продольной оси 3 (n=1). Тем не менее, возможно, также выбрать n больше 1 (менее частое чередование), например, с целью ограничения создаваемой аэродинамической силы. Тем не менее, скорость вращения может быть низкой, и из-за дрейфа, вызванного масштабным коэффициентом, получаемого в течение только одного поворота в первом направлении корректируется (компенсируется) вращением в другом направлении, изменение направления вращения после каждого оборота обычно является предпочтительным.
Оценка инерционного дрейфа, после применения управления в соответствии с настоящим изобретением (в частности, на малой дальности, у недорогой ракеты типа воздух-земля, для которой дополнительные затраты на гироскоп сильно ограничены) и их сравнение с общим дрейфом (без попытки коррекции), и решение с постоянным знаком автоматического вращения (без гироскопа и с гироскопом), были использованы, чтобы продемонстрировать, что настоящее изобретение имеет инерционные характеристики, близкие к гироскопу (40% - 60% компенсации дрейфа, в отличие от 50% - 75% для решения с гироскопом, за исключением угла крена), но без каких-либо дополнительных затрат или необходимости в оборудовании (отсутствие гироскопа или дополнительного датчика).
Следовательно, в соответствии с изобретением:
- по поперечным осям:
- систематические ошибки (гирометрические или акселерометрические) датчиков по осям y1 и z1 эффективно корректируются (так же, как при обычном автоматическом вращении);
- ошибки масштабного коэффициента (гирометрические или акселерометрические) датчиков по осям y1 и z1 также корректируются (так же, как при обычном автоматическом вращении);
- по продольной оси:
- систематические ошибки (гирометрические или акселерометрические) датчиков по оси x1 не корректируются (так же, как при обычном автоматическом вращении);
- акселерометрические ошибки масштабного коэффициента датчиков по оси x1 не корректируются (так же, как при обычном автоматическом вращении), однако
- гирометрические ошибки масштабного коэффициента датчиков по оси x1 корректируется (в чем и состоит отличие от обычного автоматического вращения).
Настоящее изобретение относится ко всей системе навигации, а именно полному блоку инерциальных датчиков (за исключением акселерометра продольных ускорений).