Исследование погрешностей бесплатформенного инерциального гирокомпаса на основе ТРЕХ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ И ТРЕХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ КАЖУЩЕГОСЯ

На правах рукописи

МИХЕЕВ Алексей Владимирович

Исследование погрешностей бесплатформенного инерциального гирокомпаса на основе ТРЕХ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
И ТРЕХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ КАЖУЩЕГОСЯ УСКОРЕНИЯ

05.11.03 – Приборы навигации

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Саратов – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Плотников Петр Колестратович

Официальные оппоненты:

Джашитов Виктор Эмануилович, доктор технических наук, профессор, Институт проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов, заведующий лабораторией Мельников Андрей Вячеславович, кандидат технических наук, ЗАО «Геофизмаш», г. Саратов, председатель правления, председатель научно-технического совета

Ведущая организация:

Филиал ФГУП «НПЦ АП» – «ПО «Корпус» (г. Саратов)

Защита состоится «27» июня 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.04 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «___» мая 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Алешкин В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Бесплатформенные гирокомпасы (БГК) находят широкое применение на наземных, воздушных, морских подвижных объектах (ПО). Значительную роль в их использовании играют точность формирования выходных параметров и их конечная стоимость. Создание БГК средней и высокой точности стало возможным благодаря созданию как прецизионных гироскопов, в том числе оптических, так и акселерометров.

В настоящее время ряд фирм выпускает бесплатформенные гирокомпасы и гирогоризонткомпасы на основе трех волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и трех акселерометров, входящих в состав бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС). К числу таких систем относятся гирокомпас Octans (iXSea, Франция), Polaris FOG-100 (GEM Elettronica, Италия), LR-240 (Northrop Grumman, США), TOGS-S (CDL, Великобритания), гирогоризонткомпас ЦНИИ «Электроприбор», Россия, БИНС-1000 (ООО НПК «Оптолинк», Россия) и другие, устанавливаемые на надводных и подводных судах, наземных подвижных объектах. Постоянно совершенствуется элементная база, а также алгоритмическое обеспечение БГК.

Бесплатформенный гироскопический компас реализуется на основе БИНС, поэтому описание процесса функционирования БГК в значительной степени базируется на теории инерциальных систем ориентации и навигации. Современные подходы к созданию БИНС изложены в трудах А.Ю. Ишлинского, Д.М. Климова, П.В. Бромберга,
В.А. Каракашева, С.С. Ривкина, В.Ф. Журавлева, Д.С. Пельпора,
В.Н. Бранеца, И.П. Шмыглевского, В.Г. Пешехонова, Г.И. Емельянцева, О.Н. Анучина, П.К. Плотникова, Ю.Н. Челнокова, Ю.А. Литмановича,
С.П. Дмитриева, В.Я. Распопова, D.H. Titterton, J.L. Weston, K. Britting, P.G. Savage, D. Tazartes и других ученых. Вопросам исследования погрешностей различной природы датчиков первичной информации посвящены работы многих зарубежных и отечественных авторов. Так, глубокой проработкой погрешностей современных датчиков отличаются работы В.М. Панкратова и В.Э. Джашитова.

Гирокомпасы на основе БИНС имеют методические погрешности, а также инструментальные, которые в основном определяются погрешностями датчиков первичной информации. Методические погрешности связаны с алгоритмами функционирования БГК, вследствие чего возникает необходимость исследования особенностей их работы с целью повышения точности определения угла курса. Инструментальные погрешности датчиков также требуют внимательного исследования, поскольку вносят значительный вклад в формирование погрешностей БГК. Однако в условиях отсутствия возможности привлечения дополнительной внешней информации (автономный БГК) возникают значительные сложности в идентификации инструментальных погрешностей. Тем не менее остается возможность повышения точности БГК за счет применения алгоритмических решений на различных этапах его работы.

Цель работы: разработка алгоритмов работы автономного БГК на базе ВОГ и кварцевых акселерометров, а также определение источников погрешностей при вычислении угла курса для последующего повышения точности его работы.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

– развитие математической модели и алгоритмов функционирования канала курса в БИНС, в основе которой лежат дифференциальные кинематические уравнения в углах Эйлера-Крылова, с введением коррекционных членов в выражения для определения угла курса;

– разработка алгоритмов начальной выставки гирокомпаса;

– вывод уравнений ошибок функционирования БГК и их анализ;

– разработка алгоритмов снижения погрешностей гирокомпаса и их реализация в виде уравнений коррекции;

– разработка программного обеспечения для математического моделирования работы БГК;

– проведение экспериментальных исследований БГК.

Методы исследования. В работе использованы методы теории сферического движения твердого тела в углах Эйлера-Крылова в виде дифференциальных уравнений Эйлера с введением членов горизонтальной и азимутальной коррекции от акселерометров, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления, теории устойчивости, методов программирования, математического моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна:

1. Развита математическая модель БГК на основе дифференциальных кинематических уравнений Эйлера в углах Эйлера-Крылова, с введением коррекции по сигналам акселерометров и формул гирокомпасирования.

2. Выведены уравнения ошибок работы БГК и дан их анализ.

3. На основе построенных алгоритмов работы БГК было разработано программное обеспечение для математического моделирования с учетом погрешностей реальных датчиков, а также для работы в бортовом вычислителе экспериментального образца гирокомпаса. Результаты испытаний опытного образца БГК подтвердили работоспособность предложенных алгоритмов.

Достоверность результатов подтверждается использованием теоретически обоснованных методов, корректностью математической постановки задач, строгостью применяемых методов решения, соответствием основных теоретических предпосылок результатам математического моделирования и эксперимента.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель канала курса БГК.

2. Математическая модель ошибок гирокомпаса и их анализ.

3. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований БГК.

Практическая значимость. Построены дифференциальные уравнения БГК в углах Эйлера-Крылова, приведенные к осям горизонтного базиса, с горизонтальной коррекцией от акселерометров и настройкой на частоту Шулера, устраняющую баллистические погрешности от действия кажущихся ускорений. На основании построенных алгоритмов разработана серия программ для моделирования процесса функционирования БГК при различных условиях, а также бортовое программное обеспечение экспериментального образца БГК. Алгоритмы использованы в вычислительном устройстве опытного образца БГК, созданного на базе ООО НПК «Оптолинк». На его основе проведены экспериментальные исследования на неподвижном основании и на борту подвижного объекта, подтвердившие работоспособность разработанных алгоритмов. Результаты работы в виде программно-алгоритмического обеспечения были внедрены в производство на ОАО НПК «Оптолинк».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на XI, XV и XVI международных научных конференциях по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2004-2009), на симпозиуме «Gyro Technology» (Штутгарт, 2004), на семинарах кафедры «Приборостроение» СГТУ 2004-2012 гг.

Публикации. По результатам диссертации лично и в соавторстве опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 – в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 1 патент на полезную модель.

Личный вклад автора в публикации [2] заключается в написании программ моделирования алгоритмов работы канала курса и встроенного вычислителя БГК, а также в обработке результатов экспериментов. В [3] – проверка и уточнение алгоритмов, моделирование и обработка результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 113 наименований, приложения и акта использования результатов в производстве. Работа изложена на 140 страницах, содержит 85 рисунков и 4 таблицы.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность задач, решаемых в диссертационной работе.

В первой главе приводится обзор трудов по известным схемным, конструктивным и алгоритмическим решениям БГК. Рассматриваются различные варианты исполнения БГК на основе ВОГ: а) с использованием одного датчика угловой скорости с вращением или сканированием его измерительной оси в плоскости горизонта; б) с использованием БИНС, в состав которой входят трехкомпонентный гироскопический волоконно-оптический измеритель угловой скорости и двух- или трехкомпонентный измеритель кажущегося ускорения. Точность определения угла курса по первому типу составляет величины 0,5…1°, при втором варианте точность определения угла курса составляет от 0,1° до 1°. В этом варианте ВОГ имеют угловую скорость дрейфа порядка 0,005°/ч (ВОГ фирмы iXSea), а акселерометры имеют сдвиг нуля порядка 510-4 g.

Существенными недостатками гирокомпасов первого типа являются наличие подвижных механических частей и ограниченный динамический диапазон измерения. В настоящее время из выпускаемых серийно ГК первого типа известны гирогоризонткомпас ЦНИИ «Электроприбор», гирокомпас 9А184 фирмы ЗАО «Исток», Россия. Также имеется ряд научных работ и патентов японских, американских и российских авторов. Кроме того, данное направление активно развивается китайскими учеными.

Из БГК второго типа, выпускаемых серийно, можно выделить следующие: система ориентации, в том числе определения угла курса, SFIM Industries (Германия); волоконно-оптический гирокомпас KVH Industries (США); волоконно-оптический гирокомпас Octans (Франция); волоконно-оптический гирокомпас Polaris FOG-100, GEM Elettronica (Италия), гироскопический компас TOGS-S (CDL, Великобритания), БИНС-1000 («Оптолинк», Россия), а также ряд других. Известны также разработки в этом направлении Пермской НППК.

Анализируя существующую номенклатуру изделий, а также научные публикации, можно сделать вывод, что перспективной схемой для БГК является схема на основе трехкомпонентного гироскопического волоконно-оптического гироскопа и трехкомпонентного измерителя кажущегося ускорения.

Ввиду того, что математические модели и алгоритмическое обеспечение указанных ранее гирокомпасов являются коммерческой собственностью и не подлежат публикации, возникает необходимость разработки собственных новых типов алгоритмов работы автономного БГК на основе БИНС. Кроме того, ввиду развития элементной базы, на основе которой строится БГК, появляется возможность применения дан-ной системы на ряде подвижных объектов как наземного, так и морского типов, за счет приемлемых точности, габаритов и невысокой стоимости.

Во второй главе описывается физическая модель БГК. Функциональная схема БГК представлена на рис. 1, где изображен трехосный гироскопический измеритель угловой скорости (ТГИУС), в виде трех ВОГ, трехосный измеритель кажущегося ускорения (ТИКУ) в виде блока трех идентичных однокомпонентных измерителей кажущегося ускорения, интерфейс и бортовой вычислитель. Измерительные оси ТГИУС и ТИКУ соответственно параллельны и совпадают с продольной, поперечной и нормальной осями подвижного объекта.

Рис. 1. Функциональная схема БГК

Рис. 2. Опорные системы координат