гироазимутгоризонткомпас

Формула изобретения

Гироазимутгоризонткомпас, содержащий трехосный гиростабилизатор, на платформе которого установлены два трехстепенных гироскопа и два однокомпонентных акселерометра с горизонтальными осями чувствительности, а по осям карданова подвеса установлены датчики углов качек и курса, при этом выходы акселерометров связаны с первым и вторым, а выходы датчиков углов качек и курса - с третьим, четвертым и пятым выходами гиростабилизатора, датчики момента гироскопов, управляющие движением платформы вокруг горизонтальных и вертикальной осей и связанные со вторым, третьим и первым входами гиростабилизатора, и электронный блок, первый и второй входы которого связаны через первый и второй выходы гиростабилизатора с выходами акселерометров, третий и четвертый входы связаны с лагом и блоком выработки широты, пятый и шестой входы связаны с выходами таймера и третьего блока сравнения соответственно, а первый, второй и третий выходы электронного блока, вырабатывающего сигналы управления платформой гиростабилизатора вокруг вертикальной и горизонтальных осей, связаны через первый, второй и третий входы гиростабилизатора с датчиками момента гироскопов, отличающийся тем, что в него дополнительно вводят последовательно соединенные сумматор, интегратор, первый масштабирующий блок, ключ, блок задержки, блок выделения модуля, третий масштабирующий блок и первый блок сравнения, а также первый и второй счетчики, второй и третий блоки сравнения, второй масштабирующий блок, при этом первый вход сумматора связан через первый выход гиростабилизатора с выходом акселерометра, а второй вход сумматора через второй масштабирующий блок связан с выходом первого масштабирующего блока, управляющий вход ключа связан с выходом таймера, второй вход третьего масштабирующего блока связан с выходом блока выработки широты, первый выход первого блока сравнения связан с вторым входом второго счетчика и через первый вход первого счетчика и третий блок сравнения связан с шестым входом электронного блока, а второй выход первого блока сравнения связан через первый вход второго счетчика и второй блок сравнения с вторым входом первого счетчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гироприборостроения и может быть использовано в навигационных системах на базе трехосных гиростабилизаторов.

Известен морской гироазимутгоризонткомпас ГАГК-1, который может работать в инерциальном режиме или режиме гироазимутгоризонткомпаса [см. "Технические средства судовождения", том II /под общей редакцией Е.Л. Смирнова, изд. Элмор, г. С-Петербург, 2000 г., стр. 347]. Для реализации этих режимов работы необходимо осуществить приведение (выставку) платформы ГАГК в меридиан и горизонт с требуемой точностью.

Гироазимутгоризонткомпас ГАГК-1 содержит гиросекцию - трехосный гиростабилизатор, на платформе которого установлены два трехстепенных гироскопа и два однокомпонентных акселерометра с горизонтальными осями чувствительности, а по осям карданова подвеса установлены датчики углов качек и курса, при этом выходы акселерометра связаны с первым и вторым, а выходы датчиков углов качек и курса - с третьим, четвертым и пятым выходами гиростабилизатора; а датчики момента гироскопов, управляющих движением платформы гиростабилизатора вокруг горизонтальных и вертикальной осей, связаны со вторым, третьим и первым входами гиростабилизатора; электронный блок, первый и второй входы которого связаны через первый и второй выходы гиростабилизатора с выходом акселерометров, третий и четвертый входы связаны с лагом и блоком ввода широты; пятый и шестой входы связаны с первым и вторым выходом таймера, вырабатывающим сигналы окончания режимов горизонтирования и приведения, а первый, второй и третий выходы электронного блока, вырабатывающего сигналы управления платформой гиростабилизатора вокруг вертикальной и горизонтальных осей, связаны через первый, второй и третий входы гиростабилизатора с датчиками момента гироскопов.

Для приведения (выставки) в данном гироазимутгоризонткомпасе используются два режима: горизонтирования и приведения, переключаемых таймером через заданные интервалы времени.

Наиболее длительным этапом является режим приведения в меридиан, реализуемый по схеме гироазимутгоризонткомпаса с максимальными сигналами управления _E, _N, _Z. При этом время приведения в меридиан с требуемой точностью увеличивается с ростом начального отклонения от меридиана и достигает максимума при начальном угле рассогласования 180^o. Поэтому в этом и подобных гироазимутгоризонткомпасах для обеспечения приведения в меридиан с требуемой точностью с любого начального угла длительность режима приведения устанавливается максимальной и равной длительности приведения с начального угла 180^o. На процесс выставки в меридиан и горизонт влияют также гармонические ускорения от качки объекта, увеличивающие его время приведения.

Так, в этом гироазимутгоризонткомпасе время приведения в меридиан с точностью 1^o составляет 30-45 минут, а с точностью 0,1^o - 4 часа. В других гироазимутгоризонткомпасах, имеющих менее мощные датчики момента, время приведения существенно больше.

Целью изобретения является сокращение времени приведения ГАГК с требуемой точностью в условиях качающегося объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в состав гироазимутгоризонткомпаса, содержащего трехосный гиростабилизатор, на платформе которого установлены два трехстепенных гироскопа и два однокомпонентных акселерометра с горизонтальными осями чувствительности, а по осям карданова подвеса установлены датчики углов качек и курса, при этом выходы акселерометров связаны с первым и вторым, а выходы датчиков углов качек и курса - с третьим, четвертым и пятым выходами гиростабилизатора, а датчики момента гироскопов, управляющие движением платформы вокруг горизонтальных и вертикальной осей связаны со вторым, третьим и первым входами гиростабилизатора; и электронный блок, первый и второй входы которого связаны через первый и второй выходы гиростабилизатора с выходами акселерометров, третий и четвертый входы связаны с лагом и блоком выработки широты, пятый и шестой входы связаны с выходами таймера и третьего блока сравнения соответственно, а первый, второй и третий выходы электронного блока, вырабатывающего сигналы управления платформой гиростабилизатора вокруг вертикальной и горизонтальных осей, связаны через первый, второй и третий входы гиростабилизатора с датчиками момента гироскопов, дополнительно вводят последовательно соединенные сумматор, интегратор, первый масштабирующий блок, ключ, блок задержки, блок выделения модуля, третий масштабирующий блок и первый блок сравнения, а также первый и второй счетчики, второй и третий блоки сравнения и второй масштабирующий блок. При этом первый вход сумматора связан через первый выход гиростабилизатора с выходом акселерометра, а второй вход сумматора через второй масштабирующий блок связан с выходом первого масштабирующего блока; управляющий вход ключа связан с выходом таймера, второй вход третьего масштабирующего блока связан с выходом блока выработки широты, первый выход первого блока сравнения связан со вторым входом второго счетчика и через первый вход первого счетчика и третий блок сравнения с шестым входом электронного блока, а второй выход первого блока сравнения связан через первый вход второго счетчика и второй блок сравнения со вторым входом первого счетчика.

Устройство ГАГК, представленное на фиг.1, включает:

1 - трехосный гиростабилизатор, на платформе которого установлены два трехстепенных гироскопа H₁, и Н₂ (или три двухстепенных гироскопа H₁, Н₂, Н₃) и два однокомпонентных акселерометра А_E, А_N с горизонтальными осями чувствительности, а по осям карданова подвеса установлены датчики углов качек D, D_Q и курса D_K. Выходы акселерометров связаны с 1 и 2, а выходы датчиков качек и курса с 3, 4 и 5 выходами гиростабилизатора. Датчики момента гироскопов (H₁ и H₂), управляющие движением платформы гиростабилизатора вокруг ее горизонтальных Х(Е), Y(N) и вертикальной Z осей, связаны со 2, 3, 1 входами гиростабилизатора;

2 - электронный блок, 1 и 2 входы которого связаны через 1 и 2 выходы гиростабилизатора с выходами W_N, W_E акселерометров, 3 и 4 входы связаны с лагом V1 и с числителем широты или блоком ввода широты , пятый и шестой входы связаны с выходом таймера 3 и третьего блока сравнения 14 соответственно, а первый, второй, третий выходы подают сигналы управления платформой _Z, _E, _N через 1, 2 и 3 входы гиростабилизатора 1 на датчики момента гироскопов.

Электронный блок представляет собой схему управления, реализуемую на аналоговых или цифровых элементах и вырабатывающую по информации акселерометров W_E, W_N, лага V1 и широты сигналы управления гиростабилизатором _Z, _E, _N;

3 - таймер. После включения ГАГК начинается режим горизонтирования, который заканчивается через заранее определенный интервал времени по сигналу 1 таймера 3; начинается режим приведения (выставки) платформы ГАГК в меридиан, который заканчивается после выработки третьим блоком сравнения 14 сигнала окончания приведения 2; начинается рабочий режим, при котором отклонение платформы от меридиана и плоскости горизонта не превышает требуемых допустимых значений;

4 - сумматор, первый вход которого связан с первым выходом гиростабилизатора, т. е. с сигналом W_N, а второй - с выходом второго масштабирующего блока 7;

5 - интегратор, реализуемый на базе аналоговых или цифровых микросхем;

6, 7, 11 - масштабирующие блоки с коэффициентами передачи Кф, "-1" и 1/cos соответственно, реализуемые на базе аналоговых или цифровых элементов;

8 - ключ, передающий сигнал Wg, после прихода на его управляющий вход сигнала 1 с таймера 3, реализуемый на базе электромагнитного реле или логических цифровых микросхем;

9 - блок задержки на время t₃, реализуемый на базе цифровых микросхем;

10 - блок выделения модуля входного сигнала Wg, реализуемый на базе цифровых логических микросхем;

12 - первый блок сравнения, первый выход которого связан с первым входом первого и вторым входом второго счетчика (13, 15), реализуемый на аналоговых или цифровых элементах, выдающий сигнал по первому выходу в случае, если сигнал |Wg|/cos<2п (порогового значения) и по второму выходу, если |Wg|/cos>2п;

13, 15 - первый и второй счетчики, первые входы которых запускают счетчики, а вторые входы обнуляют выходы;

14, 16 - третий и второй блоки сравнения. Второй блок вырабатывает выходной сигнал для обнуления первого счетчика 13, если выполняется условие t₂>tn2 (tn2 - заранее установленный порог). Третий блок сравнения 14 выдает сигнал 2 завершения режима приведения (выставки) в случае выполнения условия t₁>tn1 (tn1 - заранее установленный порог). Блоки сравнения могут быть реализованы на аналоговых или цифровых элементах.

Вводимые в состав ГАГК элементы могут быть реализованы как в составе схемы управления или вычислителя электронного блока, так и в виде отдельного, дополнительного электронного блока или дополнительного вычислителя. Алгоритм автоматической выработки сигнала завершения приведения (выставки), реализуемый вводимыми в ГАГК элементами, представлен на фиг.2, где:

Сф - сглаживающий фильтр;

3(Т) - таймер;

4(С1) - сумматор;

5(И) - интегратор;

6(М1) - первый масштабирующий блок;

7(М2) - второй масштабирующий блок;

8(Кл1) - ключ;

9(ЗД) - блок задержки;

10(МО) - блок формирования модуля;

11(М3) - третий масштабирующий блок;

12(СР1) - первый блок сравнения;

13(СЧ1) - первый счетчик;

14(СР3) - третий блок сравнения;

15(СЧ2) - второй счетчик;

16(СР2) - второй блок сравнения.

Поясним достижение поставленной цели предлагаемым устройством, реализующим указанный алгоритм автоматической выработки сигнала завершения приведения (выставки) следующим теоретическим анализом, расчетами и результатами экспериментальных испытаний опытного образца ГАГК.

Уравнения движения гироазимутгоризонткомпаса в режиме приведения (выставки) у пирса, когда постоянная времени переходного процесса режима приведения ГАГК больше, чем период качки, описывающие отклонения (ошибки) и платформы относительно восточной оси и вертикальной оси соответственно, могут быть записаны в виде





U1=0,

где U2 = Ucos, U3 = Usin - угловые скорости географического трехгранника в проекции на восточную, северную, вертикальную оси;

U - скорость Земли.

Угловые скорости управления по восточной и вертикальной оси платформы гиростабилизатора

_E = -(K1W_N)/R

_Z = Usin+(K2W_N)/(Rcos).

Сигнал с северного акселерометра

W_N = g

g - ускорение силы тяжести,

U - скорость Земли,

R - радиус Земли,

- широта места, вводимая в ГАГК,

К1, К2 - коэффициенты цепей управления.

После подстановки выражений для управляющих скоростей в уравнения движения последние примут вид

,

.

В установившемся режиме при отклонение платформы _y вокруг восточной оси будет определяться ее текущим отклонением от меридиана , т.е. невыставкой по курсу

_y = (Ucos)/²K1),

где ² = g/R - частота Шулера.

Соответственно сигнал с северного акселерометра также зависит от ошибки приведения в меридиан

W_N = g_y = -(RUcos)/K1.

В переходном режиме угол (отклонение) и сигнал W_N определяются дифференциальным уравнением, которое получается из последней системы

.

Выбирая

K1 = 2a/²U; K2 = a²/²U,

где a = 1/( - постоянная времени переходного процесса ГАГК),

можно записать частное решение ₄ дифференциального уравнения в виде

₄ = ₀e^-at,

где ₀ - начальное отклонение вокруг восточной оси, равное конечному _K значению в режиме горизонтирования

₀ = _K = (Ucossin)K_Г,

где К_Г - коэффициент в режиме горизонтирования.

Итак, общее решение дифференциального уравнения, описывающее изменение угла в режиме приведения ГАГК, имеет вид

= ₄+_y = ₀e^-at+_y..

Сигнал W_g после представленного на фиг.2 сглаживающего фильтра Сф с коэффициентом К_ф и постоянной времени фильтра Т_Ф=1/К_ф при действии ускорения качки W_к = W₀gsin_кt с амплитудой W₀ и периодом качки Т_к в режиме приведения определяется, как будет показано ниже, дифференциальным уравнением



W_к = W₀gsin(_кt),

где _К - угловая скорость качки.

Полагая T_к<T<(_к = 2/T_к>a_ф = 1/T_ф>a = 1/T) и пользуясь принципом суперпозиции, найдем решение последнего дифференциального уравнения в виде суммы трех составляющих:

W₁ = Ae^-at,

W₂=B,

W₃ = Csin(2/T_к)+Дcos(2t/T_к).

После их поочередной подстановки в дифференциальное уравнение и определения коэффициентов А, В, С, Д основная составляющая сигнала Wy после сглаживающего фильтра может быть записана в виде



Первая составляющая, определяющая переходный процесс в режиме приведения из-за начальных условий с постоянной времени = 1/a затухает со временем, пропорциональным отклонению от меридиана .

Вторая составляющая, определяющая установившееся значение сигнала пропорциональна отклонению от меридиана .

Третья составляющая, зависящая от амплитуды W₀ гармонического или периодического ускорения качки при указанном условии _к>a_ф = K_ф, может быть записана в виде

W₀gK²_ф/²_кsin_кt = W_Гsin_кt.

Выберем коэффициент сглаживающего фильтра К_ф так, чтобы при максимальном ускорении качки W_0m и соответствующей ему угловой скорости качки _к = 2/T_к амплитуда гармонической составляющей сигнала W_g была бы равна допустимой _П - установившейся составляющей, определенной требуемым допустимым углом отклонения от меридиана





тогда

Оценим величину К_ф, полагая

Т_к= 6 с, К1=3000 рад/с, что типично для современных морских систем



Т_ф = 25 с.

При выборе K_ф в соответствии с выражением (2) график функции W_g(t) в режиме приведения (выставки) имеет вид, представленный на фиг.3.

На фиг. 3 пунктирной линией обозначена сумма первых двух составляющих сигнала W_g.

Работа предлагаемого устройства в соответствии со структурой алгоритма выработки сигнала завершения выставки, представленной на фиг.2. и графиком на фиг.3, происходит следующим образом. Сигнал северного акселерометра A_N с первого выхода гиростабилизатора ГАГК подается на первый вход первого сумматора 4(С1). На второй вход сумматора 4(С1) подается сигнал W_g с выхода сглаживающего фильтра с обратным знаком. Суммарный сигнал через интегратор 5(И) и первый масштабирующий блок 6(М1) поступает на вход ключа 8(К_Л1). Уравнение такого фильтра может быть записано в виде

W_g = K_ф(W_N-W_g)dt.

Тогда сигнал W_g зависит от W_N в соответствии с выражением



где Т_ф = 1/К_ф,

т. е. элементы 5(И), 6(М1), 7(М2), 4(С1) представляют собой апериодическое звено с постоянной времени Т_ф или сглаживающий фильтр (С_Ф) по отношению к входному сигналу W_N. После окончания режима горизонтирования таймер 3 (Т) включает ключ 8 (К_Л1) и сигнал W_g после сглаживающего фильтра с выбранным в соответствии с выражением (2) коэффициентом К_ф попадает на блок задержки 9 (ЗД), который через время t₃ подает его на блок формирования модуля 10 (МО), который определяет модуль сигнала W_g. Задержка t₃ нужна для реализации приведения с угла , близкого к 180^o в районах, близких к экватору при 0, когда начальное значение сигнала В этом случае сигналы _y и W_gy, определяемые отклонением от меридиана , будут увеличиваться в зависимости от азимутального дрейфа r и для предотвращения ранней выработки сигнала 2, пока угол не отработается от значения 180^o до , необходимо задержать анализ величины W_g до момента, пока W_g не превысит величину _П, т.е. пока угол не превысит величину . Время t_з определяется из соотношения



Для типичных у морских систем величин r=0.01^o/ч, , значение t_з составит 100 с. В третьем масштабирующем блоке, второй вход которого связан с четвертым входом схемы управления, формируется сигнал по информации о широте, поступающей от блока выработки широты. В первом блоке сравнения осуществляется сравнение сигнала с двойным допустимым значением подбираемым заранее по заданной величине допустимого отклонения от меридиана в соответствии с выражением (1). Если сигнал то включается второй счетчик 15 (СЧ2), и время t₂ начинает вырабатываться и поступать во второй блок сравнения 16 (СР2) для сравнения с порогом tn2=Т_кm/2, выставленным заранее и равным половине максимального периода качки Т_кm. При этом в соответствии с графиком на фиг.3 возможны две ситуации:

либо и платформа находится в зоне 1;

либо и платформа находится в зоне 3, но ускорение качки вызвало превышение сигнала W_g над 2_П на время tT_к/2, где Т_к - период качки.

В первом случае t₂>tn2 и блокирующий выход 2-го блока сравнения обнуляет время t₁ первого счетчика 13 (СЧ1), предотвращая выработку сигнала 2. Во втором случае t₂<tn2 и выработка блокирующего сигнала не производится. Если то включается счетчик 13 (СЧ1) и обнуляется время t₂ счетчика 15 (СЧ2). Время t₁ со счетчика 13 (СЧ1) поступает на сравнение с порогом tn1 в третий блок сравнения, выставляемый заранее и равный постоянной времени режима приведения = 1/a.

При этом в соответствии с графиком, приведенным на фиг.3, возможны две ситуации:

либо и платформа находится в зоне 2;

либо и платформа находится в зоне 3.

В первом случае, хотя сигнал но переходный процесс в режиме приведения не закончился и через время t₁< величина может выйти за пределы допуска 2_П. Поэтому блок сравнения 14 (СР3) осуществляет сравнение времени t₁ с постоянной времени , и пока t₁< предотвращается выработка сигнала 2.

Во втором случае t₁>tn1 = , платформа отклонена от меридиана на угол, меньший допустимого, и вырабатывается сигнал 2 на включение рабочего режима ГАГК.

Таким образом, после окончания переходного процесса, время которого тем меньше, чем меньше начальное отклонение от меридиана , когда отклонение от меридиана становится меньше требуемого допустимого значения значение сигнала становится меньше допустимого порога 2_П, и автоматически вырабатывается сигнал на включение рабочего режима ГАГК, т.е. время приведения ГАГК в меридиан с требуемой точностью в сравнении с временем приведения с начального рассогласования 180^o сокращается с уменьшением угла начального рассогласования.

Экспериментальная проверка в условиях качки опытного образца ГАГК, реализующего предложенное устройство, построенное на базе серийно выпускаемой гиросекции ПГИ-2 на гироскопах ГВК-6, показала, что время приведения с допустимым отклонением 1 и 0,1^o от начального угла 180^o составляет 60 и 180 минут соответственно, а с начальных углов 10-20^o составляет 20 и 60 минут соответственно.

Итак, использование изобретения позволяет в три раза сократить время приведения ГАГК во время запуска с реальных углов начального отклонения от меридиана в условиях качающегося основания.