ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ НА ОСНОВЕ БЕСКАРДАННОГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА И МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Изобретение относится к морскому навигационному приборостроению и может быть использовано в системах управления подводными аппаратами.
Одной из проблем на пути создания малогабаритной интегрированной системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов на базе бескарданного инерциального измерительного модуля, содержащего измерительный блок низкого уровня точности (например, на микромеханических гироскопах, нестабильность дрейфов которых составляет 30-300 град./ч.), и приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем, является проблема обеспечения требований по точности выработки курса.
Известна интегрированная система ориентации и навигации на базе гирогоризонткомпаса «Мининавигация-К» (разработка ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петеребург), которая содержит бесплатформенный инерциальный измерительный модуль на волоконнооптических гироскопах и микромеханических акселерометрах, бортовой вычислитель, устройство автокомпенсационного вращения модуля и мультиантенную приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы. Недостатком данного устройства является высокое энергопотребление из-за устройства автокомпенсационного вращения всего модуля и достаточно большие массогабаритные характеристики для прибора данного класса.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является интегрированная система ориентации и навигации Seapath 200 норвежской фирмы Seatex AS [Product Manuals - Seapath 200. Precise Heading, Attitude and Position. Seatex AS, Trondheim, Norway, 1998-05-04] для морских судов, принятая в качестве прототипа, которая содержит бескарданный гирогоризонткомпас, состоящий из блока микромеханических гироскопов, акселерометров и навигационного вычислителя, и мультиантенную приемную аппаратуру спутниковой навигационной системы. От блока микромеханических гироскопов и акселерометров в навигационный вычислитель поступают данные о параметрах ориентации и о кажущемся ускорении, а от спутниковой навигационной системы - информация о курсе, скорости и позиционные данные, далее после совместной обработки данных методом обобщенного фильтра Калмана вырабатываются оценки погрешностей по параметрам ориентации и навигационным параметрам, которые подаются в обратную связь для корректировки вырабатываемых данных.
Недостатком данного устройства является низкая точность выработки навигационных данных по курсу при работе объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы, вызванная низким уровнем точности микромеханических гироскопов.
Задачей заявляемого изобретения является повышения точности выработки навигационных данных по курсу при работе объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, выражается в существенном повышении времени нахождения управляемого объекта вне зоны действия спутниковых навигационных систем с выполнением требований по точности (согласно резолюции IMO А.424 (XI) от 15.11.79 г. и А.821 (ХIХ) от 23.11.95 г. для гирокомпасов.).
Указанный технический результат достигается тем, что в интегрированную систему ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков содержащую три микромеханических гироскопа, расположенные в пространстве по осям ортогонального трехгранника, три микромеханических акселерометра, ориентированные в пространстве компланарно осям микромеханических гироскопов, и блок обработки данных, дополнительно введены бескарданный электростатический гироскоп и блок формирования разностных измерений, причем выход электростатического гироскопа подключен к первому входу блока формирования разностных измерений, второй вход которого подключен к первому выходу блока обработки данных по параметрам ориентации объекта, а третий вход подключен ко второму выходу блока обработки данных по координатам места объекта, выход блока формирования разностных измерений подключен к третьему входу блока обработки данных.
На фиг.1 представлена блок-схема интегрированной системы ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков, на которой изображены: приемная аппаратура спутниковой навигационной системы ПА СНС, блок микромеханических гироскопов ММГ, блок микромеханических акселерометров ММА, бескарданный электростатический гироскоп БЭСГ, блок обработки данных ОД, блок формирования разностных измерений ФРИ и отмечены номера входов и выходов подключений ключевых модулей.
Интегрированная система ориентации и навигации на основе бескарданного электростатического гироскопа и микромеханических датчиков работает следующим образом. От блока микромеханических гироскопов и акселерометров в блок обработки данных поступают данные о параметрах ориентации и о кажущемся ускорении. Также в блок обработки данных поступает информация с блока формирования разностных измерений, куда поступают данные от бескарданного электростатического гироскопа о положении вектора кинетического момента в инерциальном пространстве. После совместной обработки данных методом обобщенного фильтра Калмана в блоке обработки данных вырабатываются оценки погрешностей по параметрам ориентации и навигационным параметрам, которые подаются в обратную связь для корректировки вырабатываемых данных. Данные от спутниковой навигационной системы используются только для начальной выставки и калибровки.
Интегрированная система ориентации и навигации может быть реализована на базе гирогоризонткомпаса, в качестве ММГ могут быть использованы чувствительные элементы фирмы Analog Devices ADXRS150 [Preliminary Technical Data, Analog Devices, 9/30/02), а в качестве ММА - ADXL202E (Preliminary Technical Data, Analog Devices, Inc., 2000], в качестве БЭСГ может быть использован прецизионный электростатический гироскоп производства ЦНИИ «Электроприбор» (В.З.Гусинский. Бескарданный электростатический гироскоп в системах ориентации космических аппаратов. Proceeding of the Second International Symposium on Inertial Technology. Beijing, October 1998, P.104-114), блок ФРИ и блок ОД могут быть реализованы на основе микроконтроллера SAK-C167 фирмы Siemens и 10-разрядного АЦП [Б.Блажнов, Л.Несенюк, В.Пешехонов, Л.Старосельцев, Миниатюрные интегрированные системы ориентации и навигации. Наука, Технология, Бизнес 5/2001], в качестве ПА СНС могут быть использованы ПА ГЛОНАСС/GPS МРК-11 [Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации, Сборник докладов и статей, Под общей редакцией академика РАН В.Г.Пешехонова, Составитель: д.т.н. О.А.Степанов, СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ "Электроприбор", 2001. - 235 с.]
Для анализа точности предлагаемой схемы построения интегрированной системы ориентации и навигации в выработке параметров ориентации объекта была разработана в пакете Matlab (Simulink) имитационная модель функционирования интегрированной системы ориентации и навигации, включающая:
- имитационную модель движения группировки шести навигационных спутников по орбитам, близким к круговым, которая содержит формирование параметров поступательного движения центра масс в геоцентрической гринвичской системе координат ПЗ-90 (эфемеридной информации для каждого спутника) с учетом принятой модели гравитационного поля Земли;
- имитационную модель движения объекта, которая содержит задание параметров как поступательного движения его центра масс (ускорения, линейные скорости, географические и декартовые координаты в гринвичской системе координат ПЗ-90), так и вращательного относительно центра масс;
- формирование выходных данных измерительного блока на базе текущих истинных значений векторов угловой скорости и кажущегося ускорения точки размещения измерительного блока на объекте (восстановленных из модели движения объекта) с использованием массивов реализации выходных данных гироскопов и акселерометров, полученных при их стендовых испытаниях;
- дискретные рекуррентные алгоритмы основных функциональных задач измерительного блока;
- задачу фильтрации по совместной обработке с использованием алгоритмов обобщенного фильтра Калмана данных измерительного блока и приемной аппаратуры спутниковой навигационной системы.
- алгоритмы контроля погрешностей ИСОН в выработке кинематических параметров движения объекта, включающие запись их текущих значений в file.mat и построение графиков погрешностей.
Моделирование осуществлялось при следующих исходных данных:
e
-5
- характеристики Земли и гравитационного поля R=6378163 - средний экваториальный радиус Земли, (м.); U=7.2921151467·10 - угловая скорость суточного вращения Земли, (рад/с);
g
14
3
2
µ=3.98603·10 - гравитационная постоянная Земли, (м/с);
25
5
2
36
7
2
ε=2.634·10 (м/с) и χ=6.773·10 (м/с) - коэффициенты разложения гравитационного потенциала [12];
b
b
b
Погрешности микромеханических гироскопов в проекциях на оси (i=x, y, z) измерительного блока:
- ΔMgi - нестабильность масштабных коэффициентов - случайные величины с уровнем (1σ=0.006…0.01);
i
- Δϖ - систематические составляющие дрейфов, которые характеризуют смещение нулей от пуска к пуску - случайные величины с уровнем (1σ=100 град./ч.);
i
gi
gi
-1
- Δω - случайные составляющие дрейфов, которые характеризуют дрейф нуля в пуске - марковские процессы первого порядка σ1=30 град./ч., µ=1/600 (с);
gi
- флюктуационные составляющие дрейфов - дискретные белые шумы на рабочей частоте σ2=300 о/ч;
b
b
b
Погрешности микромеханических акселерометров в проекциях на оси (i=x, y, z) измерительного блока:
- ΔMai - нестабильность масштабных коэффициентов линейных акселерометров - случайные величины с уровнем (1σ=0.01);
i
2
-Δ - смещение нулей линейных акселерометров - случайные величины с уровнем (1σ=0.1 м/с);
i
ai
ai
2
-1
- Δa - дрейфы нулей линейных акселерометров - марковские процессы первого порядка σ1=0.03 м/с, µ=0.01 (с);
ai
2
- флюктуационные составляющие погрешностей акселерометров в проекциях на оси ИБ - дискретные белые шумы на рабочей частоте σ2=0.4 м/с.
Приемная аппаратура спутниковой навигационной системы:
o
- δD=1000 м;
o
- δ=300 м/с;
o
2
- k2=0.01 м/с;
- длина базы
- неоднозначность фазовых измерений в целое число длин волн
1
2
3
4
5
6
η=7; η=6; η=4; η=3; η=8; η=5;
1j
1j
1j
ort
- погрешности Δb =Δb/, где Δb=0.01 м;
- шумы измерений первичных навигационных параметров
δD
ν=10 м;
δ
ν=0.1 м/с;
- шумы фазовых измерений (1σ)
zi
ν=0.01 (м);
Измерительный блок
- погрешности начальной выставки (t=0):
- по параметрам ориентации
0
0
0
ΔK=5° (по курсу); ΔΨ=Δθ=1° (по углам качки);
- по составляющим вектора линейной скорости - 0.1 м/с;
- по координатам - 30 м.:
Рабочие частоты при моделировании
dt=0.01 с - дискретность моделирования движения объекта по траектории;
dT=0.01 с - дискретность работы алгоритмов;
Результаты моделирования погрешностей решения задачи ориентации объекта в предлагаемой схеме построения показаны в виде графиков на фиг.2. Из анализа графиков интегрированной системы ориентации и навигации следует, что данная система способна вырабатывать параметры ориентации с точностью, удовлетворяющей требованиям IMO (International Maritime Organization) в отличие от прототипа, погрешность выработки параметров ориентации которого в автономном режиме соизмерима с погрешностями микромеханического гироскопа (30-100 град/час).
Таким образом, введение БЭСГ и блока ФРИ позволяет повысить точность выработки курса и тем самым увеличить время работы объекта в автономном режиме, без привлечения внешних данных со спутниковой навигационной системы.