Калибровка чувствительного элемента как способ повышения точности работы гироскопической системы

КАЛИБРОВКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАБОТЫ ГИРОСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Н.С. Потемина

Работа посвящена проблеме калибровки чувствительных элементов гироскопических приборов. Дан анализ современного состояния разработок в области гироскопических чувствительных элементов. Рассмотрена структура технологического цикла калибровки.

Введение

Анализ состояния навигационного оборудования (НО) современных кораблей ВМФ РФ и зарубежных стран и тенденций его развития для кораблей начала XXI века, позволили сделать следующие вывод. Информационное обеспечение рассматриваемых задач требует непрерывной выработки практически одних и тех же навигационных (низкочастотных, характеризующих движение центра масс корабля) и динамических (высокочастотных, характеризующих угловые и линейные перемещения заданной точки корабля с учетом качки и орбитального движения) параметров.

При этом точностные требования в части выработки навигационных параметров определяются, прежде всего, требованиями задачи навигации по обеспечению безопасности плавания, а в части выработки динамических параметров - требованиями задачи начальной выставки и калибровки бортовых приборов корабельных потребителей (комплексов оружия и палубной авиации).

Выработка навигационных параметров (НП) на надводных кораблях и морских судах в нашей стране до последнего времени базируется в основном на использовании метода счисления пути по данным различных лагов и гирокурсоуказателей - гирокомпасов и гирогоризонткомпасов. Информация от радиотехнических средств -радионавигационных систем (РНС) наземного базирования, спутниковых навигационных (СНС) и навигационных радиолокационных систем (РЛС) - используется для периодической или квазинепрерывной коррекции счислимых координат места.

Однако ужесточение требований со стороны потребителей навигационной информации по точности и формату данных, необходимость существенно повысить информационную автономность контура навигации кораблей в условиях естественных и искусственных радиопомех при одновременном снижении его массогабаритные характеристики энергопотребления и стоимости привели к необходимости поиска новых решений. Информационное обеспечение задач навигации и управления движением, а также задач начальной выставки, калибровки и стабилизации бортовых приборов различных корабельных потребителей требует непрерывной выработки практически одних и тех же навигационных и динамических параметров. Наиболее жесткие требования к точности выработки навигационных параметров исходят из задачи обеспечения навигационной безопасности плавания морских подвижных объектов, а к точности выработки динамических параметров - из задачи начальной выставки и калибровки бортовых приборов корабельных потребителей.

Современное состояние инерциальной техники

Анализ современного состояния разработок в области гироскопических чувствительных элементов, приведенный в статье [1], позволяет схематично изобразить диапазон точностных характеристик различных типов современных гироскопов в виде рис. 1

ш

4

сГ^^ШШШ

1$ Ю"3 Ш Ю"3 10"г Ю'1 1 10 10! 103

Рис.1. Диапазон точностных характеристик различных типов современных гироскопов: 1 - микромеханический; 2 - динамически настраиваемый; 3 - волоконно-оптический; 4 - лазерный; 5 - волновой твердотельный; 6 - закрытый шаровый; 7 - поплавковый;

8 - магнитный сферический; 9 - электростатический

Представленный спектр точностных характеристик основных типов гироскопов достаточен для решения современных задач автономной навигации. Избыточность типов гироскопов позволяет производить выбор на основании различных критериев, которые, впрочем, в конечном виде могут быть сведены к экономическому.

Целью калибровки чувствительных элементов (ЧЭ) является определение с заданной точностью численных значений параметров ЧЭ, которые мало изменяются с течением времени.

Калибровку чувствительных элементов гироскопических приборов можно разделить на три этапа.

Этап 1 - первичная калибровка (рассмотрим ее на примере ДУС). Модель погрешностей ДУС может быть аппроксимирована в виде суммы нескольких составляющих [2, 3]:

• погрешность калибровки начального смещения «нуля» и его нестабильности в пуске, практически постоянная на достаточно длительном интервале времени;

• погрешность масштабного коэффициента, которая определяет составляющую, пропорциональную измеряемой величине;

• погрешности, вызванные изменением температуры.

Особое внимание уделяется учету нелинейности масштабного коэффициента, которая особенно заметна на краях рабочего диапазона. Ошибка, вызванная нелинейностью, пропорциональна скорости и при большом рабочем диапазоне может достигать значительных величин. Поэтому сначала выявляют зависимость выходного сигнала ДУС от действующей на него угловой скорости, затем аппроксимируют эту зависимость функцией, которая дает нелинейность, обеспечивающую требуемую точность прибора. Аппроксимирующая функция также учитывает смещение нуля и сам масштабный коэффициент.

Этап 2 - определение неортогональности осей чувствительности ЧЭ (рис. 2). В связи с наличием инструментальных погрешностей, возникающих из-за неточности сборки ЧЭ, оси чувствительности образуют косоугольную систему координат, развернутую относительно ортогональной системы координат, связанной с базовой поверхностью ЧЭ, на некоторые малые углы. Данный факт обусловливает наличие пере-

Этапы калибровки чувствительных элементов

крестных связей по осям, что влечет за собой появление методической ошибки. Исключение методической ошибки легко осуществляется введением матрицы направляющих косинусов перехода от системы координат, связанной с осями чувствительности, к системе координат, связанной с базовой поверхностью ЧЭ.

хь

Рис. 2. Углы неортогональностей ви

Этап 3 - калибровка ЧЭ относительно установочных плоскостей прибора. Этот этап необходим, если прибор в процессе работы меняет направление своей рабочей оси.

Целью данного этапа калибровки является нахождение матрицы направляющих косинусов, которая определяет взаимное расположение системы координат, связанной с ЧЭ ( х0, у0, г 0), и системы координат, связанной с посадочными поверхностями прибора ( xo, ^ г о).

Интегрированные системы ориентации и навигации

Первичные измерители составляют ядро инерциальной системы. Далее их измерения должны быть проинтегрированы с целью получения координат места и курса объекта. В результате интегрирования возникают ошибки, которые могут быть исправлены за счет внешних по отношению к инерциальным измерителям систем.

Выход был найден в интеграции датчиков с приемниками глобальных спутниковых навигационных систем (ГСНС) типа ГЛОНАСС (Россия) и КАУБТАЯ (США). В интегрированных системах ориентации и навигации (ИСОН) обеспечивается реализация достоинств и компенсация недостатков этих двух составных частей. Долговременная точность ИСОН определяется точностными характеристиками ГСНС, погрешность которых не накапливается со временем. Измерение динамических (быстро меняющихся) параметров движения и сохранение навигационной информации при непродолжительной потере сигнала ГСНС обеспечивается первичными измерителями. При работающем спутниковом канале такие датчики непрерывно калибруются по данным ГСНС, что позволяет повысить их точность. Создание ИСОН - принципиально новая идея, определяющая актуальное направление работ в гироскопии.

В настоящее время считается обоснованной необходимость инерциальной поддержки функционирования интегрированных навигационных систем. Такая поддержка составляет основу непрерывного навигационного обеспечения высокоманевренных объектов. Однако для реализации потенциальных возможностей инерциальных навигационных систем (ИНС) актуальной остается проблема улучшения их эксплуатацион-

ных характеристик. К таким характеристикам, существенно влияющим на навигационную безопасность, можно отнести время подготовки к применению, точность и надежность ИНС.

Комбинированные инерциальные навигационные системы

Традиционные подходы [4] к решению указанной проблемы опираются на аппаратурную модернизацию существующих и создание новых типов чувствительных элементов: гироскопов и акселерометров. Перспективными считаются также подходы [4], предусматривающие оценку ошибок ИНС по информации от спутниковых и других внешних навигационных систем. Вместе с тем исследованию возможностей комбинированных ИНС (КИНС), построенных на основе чувствительных элементов различных принципов действия, уделяется недостаточно внимания. В то же время существующие технические решения [5] такой задачи создают необходимую основу для проведения исследований в данной области.

Калибровка ЧЭ КИНС предусматривает взаимную информационную поддержку инерциальных измерительных блоков при реализации следующих процедур: оценка «дрейфов» ЧЭ путем обработки наблюдений во временной области; идентификация параметров моделей дрейфов ЧЭ путем обработки полученных оценок в частотной области [6]. Диагностирование КИИБ предусматривает распознавание технических состояний ЧЭ на основе ретроспективного анализа оценок по комплексным критериям согласия .

При подготовке КИНС к применению на неподвижном основании выходные сигналы КИИБ отличаются от эталонных по следующим причинам: наличие конструктивных дефектов; неточность задания начальных условий; наличие инструментальных и методических ошибок при реализации измерительных и управляющих каналов. Поэтому при реализации по выходным сигналам КИИБ уравнений инерциальной навигации и ориентации счисляются приборные значения движения, которые могут быть названы псевдокоординатами. Такие параметры являются избыточными относительно штатных режимов начальной выставки КИНС. Однако на их основе могут быть сформированы сигналы дополнительных наблюдений, как позиционных, так и угловых, которые косвенно отражают техническое состояние ЧЭ. При наличии математических моделей ошибок КИИБ это позволяет на базе алгоритмов оптимального оценивания построить единый технологический цикл (ЕТЦ) калибровки и диагностирования ЧЭ.

Вывод

Для определения координат места и курса объекта различных подвижных объектов широко применяются инерциальные системы ориентации и навигации, в том числе и интегрированные, использующие сигналы спутниковых навигационных систем, в которые входят различные типы измерительных датчиков. Одной из важнейших задач является повышение точности подобных систем без значительного удорожания.

Литература

1. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации // Гироско-пия и навигация. №1. С.48-55.

2. Анучин Н.О., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. - СПб, 1999.

3. <http:www elektropribor.spb.ru>

4. Пешехонов В.Г. Современная автономная навигация. Проблемы и перспективы. Механика и навигация // Материалы научной сессии, посвященной 85-летию академика А.Ю. Ишлинского. - СПб: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999. С. 13-22.

5. Джанджгава Т.И., Будкин В.Л., Тихолаз В.И. Системы навигации, курсовертикали на базе динамически настраиваемых гироскопов. Состояние и возможности. / В сб.: Ра-менское приборостроительное конструкторское бюро. - М.: Машиностроение, 2002. С. 19-21.

6. Чернодаров А.В., Быстров С.А., Енютин В.В., Патрикеев А.П. и др. Калибровка лазерных инерциальных измерительных блоков на основе гарантирующих процедур оценивания // Материалы IX Санкт-Петербургской междунар. конф. по интегрированным навигационным системам.