Способ калибровки гироблоков платформы трехосного гиростабилизатора
METHOD FOR CALIBRATING GYRO UNITS OF THE PLATFORM OF A TRIAXIAL GYROSTABILISER

Изобретение относится к области гироскопических систем и может быть использовано для определения азимута и калибровки гироблоков платформы трехосного гиростабилизатора, например, в высокоточных гироскопических системах различного назначения.
Известен способ азимутальной ориентации платформы трехосного гиростабилизатора (ТГС) по углу прецессии гироблока [1].
На фиг. 1 представлена структурная схема широко применяемого для построения различных гироскопических систем трехосного гиростабилизатора с вертикальной осью подвеса наружной рамки [2, с. 301, 593] в режиме определения азимута, где обозначено:
Х
У
Z
Г, Г, Г - двухстепенные гироблоки системы стабилизации относительно соответствующих осей;
Х
Х
КДУ - широкодиапазонный кодовый датчик угла гироблока Г;
У
Г
У
Z
ДУ, ДУ, - датчики углов соответственно гироблоков Г и Г,
Х
У
Г
ДМ, ДМ, ДМ, - датчики моментов соответствующих гироблоков;
Х
Z
А, A - акселерометры системы горизонтирования платформы ТГС относительно соответствующих осей;
Х
У
Г
СД, СД, СД - стабилизационные двигатели платформы ТГС относительно соответствующих осей;
Х
Г
УС, УС - усилители системы горизонтирования относительно соответствующих осей;
КК - корректирующий контур;
Н - векторы кинетических моментов гироблоков;
П
П
П
OXYZ - система координат, связанная с платформой ТГС;
ON - направление на север;
Г
Ω - вектор горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли;
ВУ - вычислительное устройство;
П
А - азимут оси Х платформы ТГС в момент начала измерений.
Х
Z
Этот способ заключается в том, что гироблок системы горизонтирования и стабилизации одной из горизонтальных осей трехосного гиростабилизатора (гироскоп Г, фиг.1), которая примерно направлена на север, отключается от штатной системы горизонтирования и стабилизации, горизонтирование же и стабилизацию платформы относительно этой оси осуществляют по выходному сигналу акселерометра (акселерометр A на, фиг. 1), а азимут платформы определяют с использованием информации с широкодиапазонного кодового датчика угла этого гироблока, который с момента отключения его от штатной системы горизонтирования начинает функционировать в режиме двухстепенного гирокомпаса, то есть его гирокамера (поплавок) под действием гироскопического момента, обусловленного горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли, начинает поворачиваться относительно корпуса гироблока, в сторону совмещения своего вектора кинетического момента с вектором сог.
Как следует из сути данного способа, использование широкодиапазонного датчика угла предполагает, что в начальный момент функционирования системы угол между вектором кинетического момента измерительного гироблока и вектором горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли должен быть большим (близким к 90°). Только в этом случае гироскопический момент, обусловленный горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли, будет достаточно большим и за время, необходимое для определения азимута, вектор кинетического момента гироскопа повернется на достаточно большой угол, что повышает информативность измеряемого сигнала.
С этой целью одну из осей, связанных с платформой ТГС, перед началом измерений грубо приводят по азимуту к меридиану, например методом гирокомпасирования [2, с. 592].
Г
Алгоритм определения азимута платформы ТГС строится на основе динамической модели гироскопа. Учитывая, что угол между векторами ω и Н близок к 90°, модель гироскопа имеет следующий вид:
где
β - угол прецессии гироблока, то есть угол между осью платформы ТГС, примерно направленной на север (юг), и осью чувствительности измерительного гироблока, измеряемый широкодиапазонным кодовым датчиком угла последнего;
I - момент инерции гироблока;
f - коэффициент демпфирования гироблока;
Н - кинетический момент гироблока;
Г
Ω - горизонтальная составляющая угловой скорости вращения Земли;
α - угол поворота оси платформы относительно Земли;
А - начальный азимут платформы;
ГБ.
ω - систематическая составляющая угловой скорости собственного ухода измерительного гироблока (гирокомпаса);
ВР.
М - достаточно малые случайные возмущающие воздействия, обусловленные влиянием нескомпенсированной скорости дрейфа платформы относительно вертикальной оси из-за наличия ошибок горизонтирования платформы ТГС.
Данное дифференциальное уравнение нелинейно, не имеет аналитического решения и определить с высокой точностью на его основе искомый азимут в условиях действия на двухстепенной гироблок различных внешних и внутренних возмущений, воздействующих на чувствительные элементы ТГС, имеющих случайную природу, весьма затруднительно.
Наиболее близким по технической сущности изобретением является способ азимутальной ориентации платформы трехосного
гиростабилизатора по приращениям угла прецессии гироблока [3].
В данном способе одновременно со считыванием информации с широкодиапазонного кодового датчика угла измерительного гироблока рассчитываются номинальные значения данного угла в вычислительном устройстве в соответствии с уравнением номинального движения, а азимут платформы определяют по информационным сигналам, равным разности между номинальными значениями угла прецессии гироблока и соответствующими измеряемыми значениями его широкодиапазонного кодового датчика угла.
Н
Номинальные значения угла прецессии гироблока β определяются в соответствии с нелинейным дифференциальным уравнением номинального движения [3]:
В
где ω - вертикальная составляющая угловой скорости вращения Земли.
Н
Г
П
П
ГБ
ВР.
Данное уравнение описывает изменение угла β при действии гироскопического момента, обусловленного горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли ω, в предположении, что в начальный момент времени ось Х платформы ТГС направлена точно на север, а направление оси чувствительности измерительного гироблока совпадает с направлением оси Х, то есть при t=0: А=0 и β=0. При этом вредные возмущения ω и М отсутствуют.
Н
Номинальные значения угла β могут быть заранее рассчитаны одним из численных методов, например методом Рунге-Кутта [4, с. 417], и сохранены в вычислительном устройстве.
П
В этом случае уравнение (1) можно линеаризовать относительно уравнения (2) и использовать для определения начального азимута А оси Х платформы ТГС хорошо известные методы оценок параметров линейных систем в условиях действия случайных возмущений, например оптимальный фильтр Калмана [5].
Х
Z
Целью данного изобретения, является расширение функциональных возможностей при определении параметров ТГС, в частности совместно с определением азимута оси платформы обеспечение калибровки систематических составляющих дрейфов гироблоков Г и Г (фиг. 1).
П
В
3
B
В соответствии с [1, 3] платформа находится в инерциальном режиме относительно местной вертикали, то есть ось Z уходит относительно Земли с угловой скоростью ω=Ωsinϕ (член α=ωt в уравнениях (1) и (2)),
3
где Ω - угловая скорость вращения Земли;
ϕ - широта местоположения ТГС.
У
У
Если на датчик моментов ДМ гироблока Г (фиг. 1) подать ток:
B
П
то платформа ТГС будет поворачиваться в инерциальном пространстве относительно вертикальной оси с угловой скоростью ω и за время определения азимута А оси Х платформы последний будет постоянной величиной.
В данном случае уравнения (1) примет вид:
а линеаризованное уравнение соответственно [6]:
Как следует из правой части уравнения (4) составляющая, зависящая от азимута, является переменной величиной, а систематическая составляющая дрейфа гироблока постоянна, и, следовательно, в фильтре Калмана они могут быть разделены при измерении в одном положении платформы в азимуте.
В [6, с. 73-77] приведены результаты моделирования по оценке данных составляющих в фильтре Калмана, откуда следует, что оценки данных составляющих могут быть получены с высокой точностью.
П
cpz
Z
Z
Z
Если одновременно с измерением азимута А оси платформы Х измерять среднее значение тока i в датчике моментов ДМ гироблока Г (фиг. 1), то после завершения измерения азимута А можно в соответствии с прецессионной теорией гиростабилизатора записать выражение для уравнения моментов гироблока Г[2]:
П
П
П
где А - как и ранее азимут оси платформы Х, так как угол между осями платформы Х и Z платформы ТГС известен с высокой точностью и равен 90°;
дpz
Z
Z
ω - систематическая составляющая дрейфа гироскопа Г. Из (5) можно определить систематическую составляющую дрейфа гироблока Г:
Таким образом, предлагаемый способ: «Способ калибровки гироблоков платформы трехосного гиростабилизатора» отличается от прототипа тем, что одновременно с определением азимута оси платформы ТГС на вход датчика моментов гироблока, обеспечивающего поворот платформы относительно вертикальной оси, подается управляющий ток в соответствии с заданным алгоритмом с одновременным измерением среднего значения тока другого гироблока, обеспечивающего горизонтирование платформы, и рассчитываются систематические составляющие угловых скоростей дрейфов этих гироблоков.
Источники информации
1. Патент RU 2324897 С1, 20.05.2008.
2. Командно-измерительные приборы / Под ред. Б.И. Назарова. - М.: МО СССР, 1987, - 638 с.
3. Патент RU 2509289 С2, 10.03.2014.
4. Дьяконов В.П. MATLAB 7.*/R2006/R2007. Самоучитель. М.: ДМК Пресс, 2008, - 768 с.
5. Брамер К., Зифлинг Г. Фильтр Калмана - Бьюси. - М.: «Наука», 1982, - 200 с.
6. Макаров Д.В., Павлов Р.А., Касьянов Г.В. Способ определения азимута базового направления по информации с широкодиапазонного датчика угла двухстепенного поплавкового гироскопа. Труды ФГУП «НПЦ АП». Системы и приборы управления. – М.: ФГУП «НПЦ АП» №4(26) 2013, - 5 с.