Повышение точности и диапазона измерения гироскопических измерителей вектора угловой скорости

ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЯ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ВЕКТОРА

угловой скорости

А. А. ВОЛЫНЦЕВ, главный конструктор НИИ ПМим. ак. В.И. Кузнецова, канд. техн. наук, Б. А. КАЗАКОВ, главный научный советник НИИ ПМ им. ак. В.И. Кузнецова, канд. техн. наук, И.Е. ШУСТОВ, асп., начальник сектора, НИИ ПМ им. ак. В.И. Кузнецова

В настоящее время для космической техники стала очень актуальной задача дистанционного зондирования Земли с помощью маневренных спутников. В связи с этим существенно ужесточаются требования, предъявляемые к инерциальным системам, которые используются на этих спутниках. В частности, встает задача по увеличению диапазона измерения угловой скорости спутника с одновременным уменьшением цены единицы младшего разряда выходной информации.

На современных отечественных спутниках, на которых требуется высокая точность ориентации в инерциальном пространстве, а, следовательно, и высокая точность измерения угловой скорости их движения, используются бесплатформенные инерциальные блоки типа ГИВУС (гироскопический измеритель вектора угловой скорости) на базе поплавковых гироблоков. Наиболее точными из этого класса приборов являются приборы КИНД34-020/027 разработки НИИ прикладной механики имени академика В.И. Кузнецова. Эти приборы взяты за основу для создания более совершенного прибора с характеристиками, отвечающими поставленным задачам. В данном докладе описываются методы усовершенствования данного типа приборов.

Увеличение диапазона измерения входной угловой скорости

Для решения задачи увеличения диапазона измерений потребуется внедрение достаточно большого числа технических изменений в схемах отдельных устройств и самой измерительной системе прибора (увеличение диапазона с 0,5е/с до 2,0е/с ).

Увеличение диапазона измерения входной угловой скорости (ю ) до 2 о/с должно проводиться с условием, что оно не повлечёт за собой увеличения цены им-

shustov_igor@mail.ru; info@niipm.ru

пульса выходной информации прибора (Р). Это значит, что показатель информационной добротности ИК J = ю /р должен многократно возрасти и достичь значения свыше J , = 200кГц. А это уже техническая проблема. Проблемой также станет обеспечение требуемого динамического диапазона измерений (D = romax/romm), который в данном случае должен быть близким к 107. Иными словами, ИК прибора должен представлять собой не менее чем 24-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Кроме того, потребителю необходимо иметь возможность вести управление угловой скоростью КА с разрешающей способностью измерителя, близкой к 10-5 о/с. Для этого цена импульса единицы младшего разряда выходной информации должна быть уменьшена до значения Р = 0,005 дуг.с.

Таким образом, показатель информационной добротности ИК должен еще более возрасти и иметь величину J > 1000кГц.

В итоге анализ возможности реализации этих требований показывает, что построение прецизионного измерителя в варианте применяемой в приборах типа КИНД34-020/027 одноотсчетной системы измерения является практически неразрешаемой технической задачей.

Отсюда следует необходимость построения двухотсчетной системы измерений, т.е. состоящей из двух линеек измерений.

Первая линейка измерительной системы (первый отсчет) выполняет роль измерителя в полном диапазоне измеряемой величины, но она имеет достаточно грубую цену разрядности (в смысле «шага» измерения, но точность этого «шага» остается высокой).

Вторая линейка измерительной системы (второй отсчет) осуществляет измерения внутри одного «шага» первой линейки (она

102

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009

ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

выполняет роль «нониуса», позволяющего значительно увеличить разрядность измерения).

При использовании двухотсчетной системы результат измерения складывается из отсчетов обеих линеек.

При представлении результата измерений в двоичном коде первая линейка (старшая) формирует старшие разряды, а вторая линейка (младшая) - младшие разряды информации. При этом совершенно необязательно, чтобы количественное отношение единиц младших разрядов обоих линеек было строго кратным «2». Технически можно обеспечить регулировку его так, чтобы оно было кратным «2» и с точностью, близкой к требуемой величине 10-5, но при этом удержать эту точность в течение всего срока эксплуатации будет весьма проблематично. Главное, чтобы диапазон измерения с помощью младшей линейки с запасом превышал одну ступень измерения старшей линейки. Только в этом случае будет надежно обеспечиваться совместимость (стыковка) обеих линеек.

Оптимально, если старшая линейка будет занимать 5 старших разрядов, а младшая линейка - оставшиеся 10 разрядов в полном числовом слове, содержащем информацию о накопленном угле. При этом оптимальность выбранного соотношения линеек будет заключаться в том, что диапазон измерений младшей линейки будет равен ю < 400 о/ч и уже его

одного будет достаточно для измерения орбитальной угловой скорости КА любого назначения, работающего на любой орбите (ГСО - геостационарная или НО - низкая орбиты). В таком варианте старшая линейка будет автоматически включаться в работу («пристраиваться»), если скорость углового вращения КА превысит диапазон юмлдиап (к примеру, когда КА потребуется работать в режимах успокоения, переориентации, закрутки или перенацеливания).

Принцип построения обратной связи

измерительного канала

Систему обратной связи (СОС) ИК прибора необходимо строить на аналоговом принципе, которому не свойственны погрешности типа «зона нечувствительности».

Однако целиком весь контур СОС строить на аналоговом принципе тоже нельзя,

так как в этом случае не удастся создать высокоточный преобразователь типа «аналог-код» с высоким Уинф (более 1000 кГц).

Отсюда следует необходимость построения СОС ИК, состоящей из двух контуров, что также отвечает принципу построения двухотсчетной измерительной системы.

С точки зрения построения систем автоматического регулирования оба контура будут различны.

Первый контур - линейный. Он осуществляет разгрузку гироблока (ГБ) от гироскопического момента в пределах входной угловой скорости до 0,1 °/с.

Второй контур - импульсный, работающий в режиме биполярного ШИМа. Он включается в работу при входной угловой скорости от 0,08 °/с и до максимума. При этом в обмотку ДМ подаются биполяр-

j старш. г

ные импульсы на частоте f = 250 Гц, в которых дискретно меняются длительности положительного и отрицательного его полупериодов по принципу ШИМа. Наличие одного дискрета в каждом импульсе обеспечивает компенсацию угловой скорости величиной 0,08 °/с. В результате подключения второго контура рабочий сигнал первого (линейного) контура возвращается в «ноль». При увеличении входной угловой скорости до 0,16 °/с (то есть дополнительно еще на 0,08 °/с) компенсирующий импульс увеличивает разностную длительность полупериодов ШИМ до двух дискретов. Линейный контур вновь «сбрасывается» в «ноль» и т.д. при дальнейшем нарастании входной угловой скорости. При ее снижении происходит обратный процесс, но второй контур начинает «списывать» набранное число дискретов уже при текущем значении рабочей точки линейного канала на величине «минус» 0,08 °/с. При другом знаке входной угловой скорости процесс набора во втором контуре компенсирующих дискретов происходит с противоположным знаком.

Построение измерительной системы

модернизированного прибора

В приборах КИНД34-020/027 измерительно-преобразующее устройство (ИПУ) включено непосредственно в контур СОС

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2009

103

ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

(рис. 1), что гарантирует полное соответствие между рабочим сигналом в СОС и выдаваемой во вне информацией.

С помощью ИПУ управление током в исполнительном органе СОС (ДМ ГБ) ведется в режиме биполярного ШИМа, который позволяет иметь высокий показатель информационной добротности (более 20 кГц) с сохранением высокой линейности выходной характеристики ИК (8Кнел < 0,005 %). Однако впоследствии выявился существен-

ный недостаток принципа ШИМ тока, который проявился в зависимости «нуля» ИК от стабильности разности фронтов импульсов положительной и отрицательной полярностей тока. Так, при диапазоне измеряемой скорости 0,5 о/с стабильность разности фронтов импульсов тока должна быть не хуже ±2 наносекунд за сутки. При скорости 2 о/с требование по стабильности разности фронтов импульсов возрастает в 4 раза, и выполнить это требование уже будет невозможно.

Рис. 1. Схема обратной связи прибора КИНД34-027. Работает по принципу широтно-импульсной модуляции управляющего тока: УД - усилитель дифференциатор; УОС - усилитель обратной связи; БЭ - блок электроники; СТ - стабилизатор тока

Рис. 2. Блок-схема измерительного канала двухотсчетной системы: Н - кинетический момент гироскопа; ДУ - чувствительный элемент - датчик угла гироскопа; ДМ - исполнительный орган - датчик момента гироскопа; УОС - регулятор системы - усилитель обратной связи; ПТЧ - преобразователь ток - частота; Кр -контроллер, обеспечивающий логическое управление контуром старшей линейки; СТ - стабилизатор тока; РСч - реверсивный счетчик; i - токи в обмотках ДМ старшей и младшей линеек; МО - модуль обмена

104

ЛЕСНОМ ВЕСТНИК 6/2009

ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 3. Выходная характеристика старшей линейки

Рис. 4. Выходная характеристика младшей линейки

Таблица

Характеристики Прибор КИНД34-020, 027 Модернизированный прибор

1. Диапазон измерения входной угловой скорости, о/с 0,5 2,0

2. Цена дискреты младшего разряда информации, дуг.с. 0,036 0,005-младшая линейка, 1,2 - старшая линейка

3. Стабильность нулевого сигнала, град./ч 0,003 0,0015- младшая линейка, 0,005 - при обеих линейках

4. Шум при интервале осреднения 0,1 - 10с, дуг.с(с) 0,15 0,08 - младшая линейка, 1,2 - при обеих линейках

В данном проекте измерение входной физической величины будет строиться на комбинированном принципе, представленном на рис. 2.

Измерительная система будет иметь две ветви, в каждой из которых измерительноинформационное преобразование будет вес-

тись на разных технических принципах. Эти же ветви являют собой две линии отсчета.

Первая ветвь включает в себя R и ПТЧ. Вторая ветвь содержит те же R и ПТЧ, но к ним подключены Кр (контроллер) и СТ. Обе ветви одинаково передают информацию в МО. Если модуль входной угловой скорости

ЛЕСНОМ ВЕСТНИК 6/2009

105