СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА КРЕНА ОБЪЕКТА, СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ВРАЩЕНИЕМ
METHOD OF ROLL ANGLE DETERMINATION OF OBJECT STABILISED BY ROTATION

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу определения углового положения (в частности, угла крена) объекта, стабилизированного вращением (ОСВ), в пространстве, и может быть использовано в космической технике в бортовых системах управления движением ОСВ.
В настоящее время остро стоит задача расширения функциональных возможностей глобальных навигационных спутниковых систем, в частности при определении углового положения объекта. При этом возникают проблемы повышения точности.
0
нач
0
k
k
k
Известен способ определения угла крена объекта, стабилизированного вращением [Гироскопические системы, ч.2, Гироскопические приборы и системы: П.В. Бромберг, И.А. Михалев, Е.А. Никитин и др. Под ред. Д.С. Пельпора. М.: Высшая школа, 1971 г., стр.82], заключающийся в том, что начиная с момента начала движения t, на который известен априори угол крена объекта φ, измеряют угловую скорость вращения ОСВ ω(t), путем интегрирования которой по времени от момента t до конечного известного момента t определяют величину изменения угла крена объекта, а величину угла крена φ(t) на момент t определяют согласно выражению:
Данный способ наиболее близок по технической сущности к заявляемому и поэтому принят за прототип.
k
k
0
k
Недостатком известного способа является относительно низкая точность определения угла крена. Одна из основных проблем обеспечения точности ориентации и навигации для ОСВ состоит в уменьшении влияния погрешностей, зависящих от продольной составляющей угловой скорости, в первую очередь, ошибки масштабного коэффициента датчика угловой скорости (ДУС), ось чувствительности которого параллельна оси вращения ОСВ. В данном способе при определении угла крена на требуемый момент t непрерывно измеряют и интегрируют угловую скорость вращения объекта ω(t), что ведет к накоплению ошибки определения изменения угла ОСВ на требуемый момент t, величина которой пропорциональна времени наблюдения (всего периода времени на интервале t…t) и ошибке измерения угловой скорости.
Задачей заявляемого изобретения является повышение точности определения угла крена объекта, стабилизированного вращением, в плоскости движения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является снижение накапливаемой ошибки определения изменения величины угла крена путем сокращения времени наблюдения за изменением углового положения объекта и повышения точности определения угловой скорости вращения ОСВ путем перехода к использованию нового физического параметра, на основе которого определяется угловая скорость вращения ОСВ, а именно - к измерению периода вращения ОСВ.
0
нач
0
k
k
k
0
0
k
k
посл
k
k
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
Технический результат достигается тем, что в способе определения угла крена объекта, стабилизированного вращением (ОСВ), заключающемся в том, что начиная с момента начала движения t, на который известен априори угол крена объекта φ, измеряют угловую скорость вращения ОСВ ω(t), путем интегрирования которой по времени от момента t до конечного момента t определяют величину изменения угла крена объекта, а величину угла крена φ(t) на момент t определяют согласно выражению: , согласно изобретению производят наблюдение за физическим параметром P(t), функционально связанным с изменением угла крена ОСВ, формируют, по меньшей мере, два раза момент τ, являющийся характерной точкой изменения физического параметра во времени, например переходом физического параметра P(t) через «ноль» на участке установившегося движения, а интегрирование угловой скорости вращения ОСВ по времени осуществляют от момента начала движения t до первого сформированного момента
и фиксируют величину интеграла - , причем наблюдение за физическим параметром P(t) прекращают до возобновления в момент сформированного последующего второго момента
, максимально приближенного к моменту t, при этом изменение угла крена Δφ(τ) относительно момента
вычисляют согласно выражению: , где τ - измеренное время от
до момента t; Т - измеренный период вращения в процессе формирования момента
, а величину угла крена объекта φ(t) на момент t определяют согласно выражению:
0
0
k
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
Формирование, по меньшей мере, два раза момента τ, который является характерной точкой изменения физического параметра во времени, например переходом физического параметра P(t) через «ноль» на участке установившегося движения относительно продольной оси вращения, интегрирование угловой скорости вращения ОСВ по времени от момента начала движения t до первого сформированного момента
, прекращение наблюдения за физическим параметром P(t), функционально связанным с изменением угла крена ОСВ, до возобновления в момент сформированного второй раз последующего момента
, максимально приближенного к моменту t, дает возможность сократить время наблюдения за изменением угла крена ОСВ при повышении точности определения угловой скорости за счет измерения периода вращения ОСВ и тем самым повысить точность определения угла крена ОСВ.
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msubsup></mrow>
k
i
k
i
k
k
посл
С целью расширения возможностей применения устройства, реализующего заявляемый способ, формирование момента
, максимально приближенного к моменту t, осуществляют циклически j-раз, начиная с произвольного момента времени t после формирования момента
вплоть до момента t, а наблюдение за физическим параметром P(t) прекращают до возобновления в момент времени t, при этом изменение угла крена  относительно момента
, сформированного последний раз перед моментом t, вычисляют согласно выражению: , где τ - измеренное время от
до момента t; Т - измеренный период вращения в процессе формирования момента
.
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
Цикличность формирования момента начала отсчета изменения угла крена
определяется из условия обеспечения погрешности на каждом цикле, не выше допустимой.
Наличие в заявленном изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет его считать соответствующим условию "новизна".
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена циклограмма функционирования ОСВ на траектории движения;
k
на фиг.2 представлен график изменения параметра P(t) во времени, величина которого функционально связана с изменением углового положения объекта, стабилизированного вращением с заданным конечным временем движения t;
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
на фиг.3 представлен график изменения параметра P(t) во времени, величина которого функционально связана с изменением углового положения ОСВ, где формирование момента
происходит циклически;
на фиг.4 представлен график, демонстрирующий снижение накапливаемой ошибки определения изменения величины угла крена путем сокращения времени наблюдения за изменением углового положения объекта и повышением точности определения угловой скорости вращения.
Способ осуществляется следующим образом.
0
нач
При движении объекта, стабилизированного вращением, в безвоздушном пространстве с учетом на момент его начала движения t известного априори угла крена φ проводят наблюдение за изменением во времени параметра P(t) (фиг.1, 2). Параметр P(t) является синусоидальной функцией. Величина параметра P(t) функционально связана с изменением угла крена ОСВ (например, параметром P(t) могут быть величины проекций вектора напряженности магнитного поля Земли на поперечные оси связанной системы координат ОСВ и/или поперечные составляющие вектора угловой скорости вращения ОСВ).
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
0
Далее при движении объекта формируют первый момент
, который является характерной точкой изменения физического параметра во времени, например переходом физического параметра P(t) через «ноль» на участке установившегося движения. В процессе формирования этой точки определяют угловую скорость вращения ω(t), интегрирование которой по времени осуществляют от момента начала движения t до первого сформированного момента
.
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
k
k
посл
k
k
Далее наблюдение за физическим параметром P(t) прекращают до возобновления в момент сформированного последующего момента
, максимально приближенного к моменту t, что дает возможность сократить время наблюдения за изменением угла крена ОСВ и снизить накапливаемые ошибки определения изменения величины угла крена. При этом изменение угла крена Δφ(t) относительно момента
вычисляют согласно выражению: , где τ - измеренное время от
до момента t; Т - измеренный период вращения в момент
. А величину угла крена объекта φ(t) на момент t определяют согласно выражению:
посл
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
Определение Т в момент
дает возможность повысить точность определения угла крена ОСВ.
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mtext> </mtext><mi>j</mi></mrow></msubsup></mrow>
k
i
k
k
k
посл
С целью расширения возможностей применения устройства, реализующего заявляемый способ, формирование момента
, максимально приближенного к моменту t, может осуществляться циклически j-раз, начиная с произвольного момента времени t после формирования момента
вплоть до момента t, при этом изменение угла крена  относительно момента
(относительно момента, сформированного последний раз перед моментом t) вычисляют согласно выражению: , где τ - измеренное время от
до момента t; Т - измеренный период вращения в процессе формирования момента
.
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mn>0</mn><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi></mrow></msubsup></mrow>
-5
0
k
Согласно полученным на основе математического моделирования данным определение угла крена, осуществленное заявляемым способом, оценивается на уровне 0,1°. График, представленный на фиг.4, наглядно демонстрирует снижение накапливаемой ошибки определения изменения величины угла крена путем сокращения времени наблюдения за изменением углового положения объекта и повышением точности определения угловой скорости вращения. Цикличность формирования момента начала отсчета изменения угла крена
определяется из условия обеспечения погрешности на каждом цикле, не выше допустимой. Относительная погрешность определения периода вращения ОСВ оценивается на уровне δ=10[с]. Периодичность формирования момента
более чем на два-три порядка меньше времени наблюдения при способе определения угла крена, описанном в прототипе. Точность определения угловой скорости через измерение периода вращения ОСВ существенно выше точности приборного измерения угловой скорости вращения ОСВ, как в прототипе (непрерывного измерения и интегрирования угловой скорости вращения объекта ω(t) по времени на интервале t…t). Сокращение времени наблюдения и повышение точности определения угловой скорости обеспечивают уменьшение ошибки, накапливаемой при определении угла крена.
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявляемый способ при его осуществлении, предназначено для определения углового положения (в частности, угла крена) объекта, стабилизированного вращением, в плоскости движения;
- повышение точности определения угла крена ОСВ;
- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».