Комбинированная система ориентации и навигации подвижного объекта
COMBINED SYSTEM OF ORIENTATION AND NAVIGATION OF MOVING OBJECT

Предлагаемое устройство относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано как при разработке, так и в качестве инерциальной системы управления, ориентации, навигации для подвижных объектов (ПО) различных типов - самолетов, беспилотных летательных аппаратов (БЛА), ракет, космических аппаратов (КА) и т.д. с применением гиростабилизированных платформ (ГСП), установленных в кардановом подвесе.
Отметим, что управление ПО, в том числе - летательными аппаратами (ЛА) различных типов - самолетами, БЛА, баллистическими ракетами, носителями КА и самими КА требует поддержания в пространстве строго заданного углового положения измерителей ускорения - акселерометров - при высоких требованиях к точности ориентации. Такая задача должна выполняться в условиях действия больших перегрузок, вибраций, изменения температуры и многих других факторов, сопровождающих полет ЛА.
Как правило, для большинства указанных типов ПО основу систем управления, ориентации и навигации составляет комплекс командных приборов с применением трехосных ГСП, на которых расположены датчики первичной информации (ДПИ) - чувствительные элементы (ЧЭ) - акселерометры, гироскопические датчики, магнитометры и др. На осях трехосного подвеса установлены двигатели стабилизации ГСП и датчики углов (ДУ), по информации которых определяется угловая ориентация объекта относительно системы координат, связанной с ГСП.
По информации комплекса командных приборов при помощи бортового вычислителя можно определить как угловые параметры ориентации, так и линейное перемещение центра масс ПО относительно инерциального пространства.
Разнообразные конструкции - в том числе с наружным и внутренним кардановым подвесом различных типов и алгоритмы функционирования двух- и трехосных ГСП широко представлены в современной научно-технической литературе: [Введение в ракетно-космическую технику. Том 1. Аверьянов А.П., Азаренко Л.Г., Вокин Г.Г., Кащеев Н.А., Мачнева Л.А., Чаплинский B.C. Изд-во "Инфра-Инженерия", 2018. - 380 с; Введение в ракетно-космическую технику. Том 2. Аверьянов А.П., Азаренко Л.Г., Вокин Г.Г., Кащеев Н.А., Мачнева Л.А., Чаплинский B.C. Изд-во "Инфра-Инженерия", 2018. - 444 с; Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы. 2-е изд. М. "Высшая школа", 1988. - 424 с; Основы наведения ракет и специальных аппаратов: уч. пособие. Александров А.А., Изд-во Балтийский государственный технический университет "Военмех" им. Д.Ф. Устинова. 2018. - 49 с. и др.].
К их достоинствам, в частности, относится отработанность конструкции, "благоприятные" условия функционирования при размещении ДПИ, высокая точность определения параметров ориентации и навигации ПО, зависящая, в том числе, от погрешностей самих ДПИ и др. В тоже время к их недостаткам следует отнести высокую сложность и стоимость изделий, значительные габариты и массу, энергопотребление и др.
В этом плане от них выгодно отличаются бесплатформенные системы ориентации и навигации (БСОН) ПО, в которых ДПИ размещены без карданова подвеса непосредственно на борту ПО, описанные также в приведенных выше и ряде других источников.
Однако при таком размещении ДПИ на борту ЛА при большей загрузке бортового вычислителя точность определения параметров ориентации и навигации ПО, как правило, уступает платформенным системам ориентации и навигации ПО.
В качестве типичной конструкции системы ориентации и навигации на основе трехосного гиростабилизатора, взятой за прототип, принята конструкция системы ориентации и навигации, описанная в [Лысов А.Н., Лысова А.А. Теория гироскопических стабилизаторов. Уч. пос., Челябинск, ЮУргу, 2009. - 117 с.] и представляющая собой трехосный гиростабилизатор, построенный на трех двухстепенных гироскопах и трех акселерометрах, размещенных на платформе, включая редукторные двигатели стабилизации с датчиками углов (ДУ) и бортовое вычислительное устройство.
Целью предлагаемого изобретения является разработка комбинированной системы ориентации и навигации (СОН), позволяющей использовать положительные стороны как систем ориентации и навигации на основе гиростабилизированных платформ, так и бесплатформенных систем ориентации, имеющих меньшие массо-габаритные параметры и сложность конструкции по сравнению с традиционными конструкциями СОН на основе ГСП, при сохранении прежней или превосходящей ее точности определения параметров ориентации и навигации, но фактически соответствующей по своим характеристикам БСОН для ПО различных типов.
Поставленная цель достигается тем, что комбинированная СОН ПО, включающая в себя внутренний карданов подвес с установленными бесконтактными датчиками углов (ДУ) на рамках подвеса и с размещенными на его платформе датчиками первичной информации (ДПИ) и блоком электроники и управления (БЭУ), дополнительно имеет в своем составе два датчика углов наклонов, две пары линейных электродвигателей с балансировочными грузами на их штоках, с концевыми выключателями и арретир, осуществляющий по программным сигналам БЭУ арретирование и разарретирование платформы внутреннего карданова подвеса (с размещенными на ней ДПИ, БЭУ, датчиками наклонов и линейными электродвигателями), причем ДПИ (например, датчики угловых скоростей (ДУС), датчики линейных ускорений (ДЛУ), магнитометры (ММ) и др.), БЭУ, датчики углов наклонов и линейные электродвигатели с балансировочными грузами на их штоках размещены на платформе внутреннего карданова подвеса таким образом, что в предстартовом положении при отсутствии движения ПО платформа внутреннего карданова подвеса занимает горизонтальное положение, а в качестве опор внутреннего карданова подвеса использованы бесконтактные подшипники на пассивном магнитном подвесе, а при неравномерном движении ПО приведение платформы внутреннего карданова подвеса в горизонтальное положение осуществляется с помощью двух пар линейных электродвигателей с концевыми выключателями, размещенных встречно попарно-диагонально на противоположных сторонах платформы внутреннего карданова подвеса на обратной стороне от ДПИ и перемещающих балансировочные грузы, установленные на их штоках, при их попарно разнонаправленном перемещении по сигналам датчиков наклонов и при этом в начальном предстартовом положении штоки линейных электродвигателей с балансировочными грузами находятся попарно противоположно в средних положениях на боковых сторонах платформы внутреннего карданова подвеса.
Использование в составе предлагаемой комбинированной системы ориентации и навигации внутреннего карданова подвеса с опорами на основе бесконтактных подшипников на пассивном магнитном подвесе, датчиков углов наклонов, двух пар линейных электродвигателей с балансировочными грузами на их штоках, с концевыми выключателями и арретира является новым, соответствует критерию "новизна", а дополнительное арретирование и разарретирование платформы внутреннего карданова подвеса с размещенными на ней ДНИ по сигналам БЭУ позволяет реализовать на борту ПО - в зависимости от его режимов движения - либо платформенную систему ориентации и навигации с меньшими массо-габаритными параметрами, либо БСОН, используя положительные стороны каждого типа СОН, решая тем самым поставленную цель и задачу изобретения.
Предлагаемая комбинированная система ориентации и навигации поясняется следующими рисунками: на фиг. 1 представлена схема СОН на основе внутреннего карданова подвеса с размещенными на ее платформе ДПИ и БЭУ; на фиг. 2 представлена схема опоры внутреннего карданова подвеса на основе бесконтактного подшипника на пассивном магнитном подвесе; на фиг. 3 показана схема расположения на противоположной стороне от размещения ДПИ внутреннего карданова подвеса двух датчиков наклонов и двух пар линейных электродвигателей с балансировочными грузами на их штоках, с концевыми выключателями.
Комбинированная система ориентации и навигации включает в себя: внутренний карданов подвес (1), в качестве опор которого используются бесконтактные подшипники на пассивном магнитном подвесе (10), с бесконтактными датчиками углов поворотов (2), на одной стороне платформы внутреннего карданова подвеса размещены чувствительные элементы - ДЛИ, например, по три ДУС, ДЛУ, ММ (3), БЭУ (4), на противоположной стороне внутреннего карданова подвеса размещены арретир (5), две пары линейных электродвигателей (6), на штоках которых установлены балансировочные грузы (7), в крайних положениях штоков установлены концевые выключатели (8), а также датчики углов наклонов (9) отклонения платформы внутреннего карданова подвеса от горизонтали.
Комбинированная система ориентации и навигации ПО функционирует следующим образом. В качестве опор подвеса внутреннего карданова подвеса используются бесконтактные подшипники на пассивном магнитном подвесе (по патенту авторов на изобретение "Магнитный подшипник" №185370 от 03.12. 2018 г. и др.).
Поясним, что ранее авторами разработана принципиальная конструкция нового класса подшипников - бесконтактный подшипник вращения, использующий пассивный магнитный подвес.
Оригинальная конструкция пассивного магнитного подвеса бесконтактного подшипника вращения, изготовленная на основе современных технологий с использованием, в том числе, редкоземельных элементов, позволила создать совершенно новое изделие, обладающее большими преимуществами по - сравнению с существующими конструкциями шарикоподшипников.
Пассивный магнитный подвес, обеспечивающий бесконтактный подвес, состоит из системы двух разомкнутых пустотелых торов - внешнего и внутреннего, (в общем случае, имеющих поперечные сечения различного вида), один из которых находится внутри другого. Каждый из системы двух разомкнутых пустотелых торов изготовлен по особой технологии, имеющей "ноу-хау", из специально разработанного магнитного порошка на основе редкоземельных элементов; причем направление намагниченности каждого из торов противоположное; то есть, наружная поверхность внутреннего пустотелого тора и внутренняя поверхность наружного пустотелого тора имеют одинаковые магнитные полюса. При такой намагниченности при сборке конструкции подшипника внутренний пустотелый тор оказывается подвешенным за счет сил магнитного отталкивания внутри пустотелого наружного тора. В конструкции подшипника наружное кольцо подшипника через соединительные элементы соединено с внутренним тором, а роль внутреннего кольца подшипника выполняет внутренняя поверхность внутреннего диаметра наружного (внешнего) тора.
Преимуществами предлагаемой конструкции являются - отсутствие трения в подвесе, отсутствие необходимой обязательной смазки изделия, практически неограниченный срок службы, не связанный с ограниченным числом оборотов изделия, бесшумность, а также большая долговечность в широком диапазоне температур (-70…+250 градусов Цельсия) и стоимость, в ряде случаев даже меньшая, чем при изготовлении традиционных шарикоподшипников.
Особо следует отметить, что имеется возможность изготовления бесконтактных подшипников вращения самых разнообразных типоразмеров, рассчитанных на различные, заранее определенные потребителем, величины осевых и радиальных нагрузок при эксплуатации изделия.
Укажем, что величина осевой "жесткости" пассивного магнитного подвеса (10) обеспечивается конструктивно на этапе проектирования, исходя из заданных параметров линейного и углового движения подвижного объекта, а также геометрическими размерами - (в том числе толщиной) внутреннего и наружного торов из магнитного материала с взаимно-противоположным направлением намагничивания, определяющими величину магнитной энергии, характеризующей силы взаимного отталкивания. Внутренний и наружный торы из магнитного материала с взаимно-противоположным направлением намагничивания могут быть изготовлены из магнитотвердых материалов, обладающих большими значениями величин магнитной индукции и коэрцитивной силы на основе редкоземельных элементов, например, NdFeB.
В начальном (предстартовом) положении регулировкой - перемещением -штоков с балансировочными грузами с помощью линейных электродвигателей в окрестностях "среднего" положения на сторонах платформы внутреннего карданова подвеса обеспечивается горизонтирование платформы внутреннего карданова подвеса (на уровне нулевых сигналов ДЛУ).
В момент старта ПО - при равноускоренном движении - платформа внутреннего карданова подвеса арретируется с помощью арретира (5) по сигналу БЭУ (4), при этом комбинированная система ориентации и навигации становится фактически БСОН; и далее, в течении нескольких последующих секунд при решении обратной магнитометрической задачи (по методике авторов, приведенной в патентах авторов на изобретения "Способ определения девиации курсоуказателя подвижного объекта" №1822248 от 12.10.1992 г., "Способ определения девиации курсоуказателя подвижного объекта" №1633930 от 08.11.1990 г., "Способ магнитометрической разведки с подвижного поискового аппарата" №2075097 от 10.03.1997 г., "Способ магнитометрической разведки с подвижного поискового аппарата" №1777451 от 22.07.1992 г. и др.) вычисляются для последующего использования в алгоритмах определения параметров ориентации и заносятся в память БЭУ (4) коэффициенты Пуассона и компоненты постоянного магнитного поля ПО, характеризующие собственное магнитное поле ПО в точке установки чувствительных элементов ММ на платформе внутреннего карданова подвеса.
Затем в соответствии с программой полета ПО в режиме квазиравномерного движения ПО по сигналам БЭУ (4) платформа внутреннего карданова подвеса с ДПИ (3) разарретируется, комбинированная система ориентации и навигации становится платформенной СОН; горизонтирование платформы внутреннего карданова подвеса которой осуществляется с помощью перемещения штоков пар линейных электродвигателей (6), синхронно перемещающих пары штоков с балансировочными грузами (7) в взаимно-противоположных направлениях по сигналам датчиков углов наклонов (9), то есть, по отклонениям платформы внутреннего карданова подвеса от горизонтальной плоскости.
При функционировании комбинированной системы ориентации и навигации в указанных различных режимах полета ПО используются различные группы алгоритмов - как для платформенной СОН, так и для БСОН (при арретировании платформы внутреннего карданова подвеса).
Известные группы алгоритмов для указанных режимов полета ПО широко представлены как в научно-технической литературе, так и в работах авторов: [Плотников П.К. Измерительные гироскопические системы. - Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1976. - 167 с.; Прикладная теория гироскопов. / Д.П. Лукьянов, В.Я. Распопов, Ю.В. Филатов. - СПб.: ГКНЦ РФ ОАО "Концерн ЦНИИ "Электроприбор", 2015. - 316 с.; Серегин В.В. Прикладная теория и принципы построения гироскопических систем. Уч. пособие. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. - 78 с; Алешин Б.С., Афонин А.А., Веремеенко К.К. и др. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии. М. Физматлит, 2006. - 424 с; Матвеев В.В. Основы построения бесплатформенных инерциальных систем. СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор", 2009. - 280 с; Построение алгоритмов функционирования безгироскопной системы ориентации летательного аппарата / П.К. Плотников, А.А. Скрипкин, В.Б. Никишин // Гироскопия и навигация. - 1993. - №2. - с. 12-16. и др.].
Для комбинированной системы ориентации и навигации в память БЭУ (4) перед стартом ПО вводятся предельные значения линейных ускорений а у, до величин которых опоры внутреннего карданова подвеса на основе бесконтактных магнитных подшипников являются работоспособными, то есть, величина магнитных сил отталкивания обеспечивает зазор подвижных частей опор без их касания, а также максимальных значений углов поворота рамок внутреннего карданова подвеса, определяемых датчиками углов (2).
a
ki,j
При их достижении - то есть, в том числе при величине линейных ускорений , определяемых по сигналам ДЛУ, по сигналам БЭУ (4) срабатывает арретир (5) и комбинированная СОН из платформенной СОН становится БСОН, функционирующей по другой группе алгоритмов (для БСОН). Кроме этого, также в случае квазиравномерного движения при горизонтировании платформы внутреннего карданова подвеса с помощью пар линейных электродвигателей (6) по сигналам БЭУ (4) путем перемещения штоков с балансировочными грузами (7) по сигналам датчиков углов наклона (9) - при достижении балансировочным грузом (7) любого из двух пар линейных электродвигателей (6) концевого выключателя (8) - сразу же по сигналу БЭУ (4) также срабатывает арретир (5) и комбинированная СОН из платформенной СОН становится БСОН, функционирующей по другой группе алгоритмов. При этом после срабатывания любого из концевых выключателей (8) и арретирования платформы внутреннего карданова подвеса с помощью арретира (5) по сигналам БЭУ (4) штоки линейных электродвигателей (6) с балансировочными грузами (7) возвращаются в среднее положение по сторонам платформы внутреннего карданова подвеса.
В зависимости от выполняемых задач и полетного задания ПО коррекция комбинированной системы ориентации и навигации по одному из важнейших параметров - углу курса может осуществляться, например, по методике, описанной в патенте авторов на изобретение "Устройство автономной коррекции курсового угла летательного аппарата" №145937 от 14.03.2014 г.; а именно: с заданной периодичностью, например, 1 раз в 30…60 минут полета, по сигналу БЭУ (4) срабатывает арретир (5), арретирующий платформу внутреннего карданова подвеса с размещенными на ней ДПИ, преобразующий этим комбинированную систему ориентации и навигации в БСОН, и далее ПО программно выполняет кратковременный элемент пространственного виража (в течении 2…3 сек), при котором его нормальная ось совпадает с направлением вектора напряженности геомагнитного поля, (то есть, когда проекции вектора напряженности геомагнитного поля на продольную и боковые оси ПО нулевые). В указанном случае и пространственном положении угол курса ПО определяется только на основе информации об углах тангажа и крена ПО; при этом обнуляется накопившееся ошибка по углу курса ПО.
В качестве датчиков первичной информации - чувствительных элементов -в зависимости от задач, выполняемых ПО, могут быть использованы различные типы гироскопических датчиков, акселерометров, магнитометров и др., различающиеся по точности, массо-габаритным характеристикам, энергопотреблению и др.; например, твердотельные волновые гироскопы (ТВГ), волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ).., кварцевые маятниковые акселерометры.., феррозондовые магнитометры, магнитометры на основе гетеромагнитной технологии и др.; а также МЭМС - датчики указанных типов, либо микросборки (IMU), имеющие в своем составе триады МЭМС гироскопических датчиков, акселерометров, магнитометров и др., например, Analog Devise, Inc. (USA), Robert Bosch GmbH (Germany), Sensonor AS (Norway) и прочих фирм. В частности, микросборки компании Sensonor AS (Norway) моделей STIM 300; STIM 318 имеют следующие основные тактико-технические характеристики [по материалам официального сайта http://www.sensonor.com]:
STIM 318: small size (39 mm × 45 mm × 22 mm), low weight and low cost, Weight 57 g  ITAR free  Insensitive to magnetic fields  User programmable bias trim offset  0.3°/h gyro bias instability  0.15°/√h angular random walk  ±400°/s angular rate input range 10°/h gyro bias error over temperature gradients  0.003 mg accelerometer bias instability  0.015 m/s/√h accelerometer noise  ±10 g acceleration input range (optional ranges available)  3 inclinometers for accurate levelling;
что позволяет реализовать в том числе весьма малогабаритный вариант такой комбинированной системы ориентации и навигации.
В качестве линейных электрических двигателей (по другому электроцилиндров) могут быть использованы типовые электрические перемещающие агрегаты с магнитной экранировкой, способные прямолинейно выдвигать и обратно задвигать шток с балансировочным грузом. В качестве привода в них используются электродвигатели, создающие движение напрямую с помощью ходового винта. За счет вращения по / и против часовой стрелки ходовой винт может выдвигаться и задвигаться. Ограничение перемещения обеспечивается самим приводным механизмом и также с помощью концевого выключателя.
Для снижения массо-габаритных параметров комбинированной СОН линейные электродвигатели расположены попарно - встречно на противоположных сторонах платформы внутреннего карданова подвеса для обеспечения горизонтирования платформы внутреннего карданова подвеса, при одновременном разнонаправленном перемещении их штоков с балансировочными грузами, то есть, у одного из пары электродвигателей шток выдвигается, у второго из пары шток задвигается по сигналам датчиков углов наклонов (9) и БЭУ (4).
В качестве датчиков углов наклонов (9) могут быть использованы, например, типовые жидкостно-маятниковые переключатели.
Арретир (5), осуществляющий по программным сигналам БЭУ (4) арретирование и разарретирование платформы внутреннего карданова подвеса с размещенными на ней ДПИ, может быть стандартным электромагнитным, срабатывающим при перемещении собственного штока.
БЭУ (4) может быть реализован на стандартных элементах вычислительной техники.
Таким образом, использование в составе предлагаемой комбинированной системы ориентации и навигации внутреннего карданова подвеса с опорами на бесконтактных подшипниках на пассивном магнитном подвесе, датчиков углов наклонов, двух пар линейных электродвигателей с балансировочными грузами на их штоках с концевыми выключателями и арретира, а также арретирование и разарретирование платформы внутреннего карданова подвеса с размещенными на ней ДПИ и БЭУ позволяет реализовать на борту ПО в зависимости от его режимов движения либо платформенную систему ориентации и навигации прежней точности с меньшими массо-габаритными параметрами, либо БСОН повышенной точности (в том числе за счет коррекции угла курса), использовать при этом положительные стороны каждого типа систем ориентации и навигации, решая тем самым поставленную задачу изобретения.