15. Источники погрешностей гидроакустических доплеровских лагов.

Флюктуационная погрешность доплеровского лага Флюктуационная погрешность доплеровского акустического лага является основной методической погрешностью измерения скорости доплеровским методом. Более подробно эта сложная картина выгладит следующим образом. Отражающая поверхность морского грунта содержит большое количество случайно распределенных элементарных отражателей. Отраженные от них сигналы имеют случайные начальные фазы, а амплитуда каждого элементарного сигнала вследствие движения судна, а также его качки беспрерывно меняется, так как изменяется положение отражателя отно­сительно оси диаграммы направленности антенны. Изменяются и углы, под которыми отраженные сигналы приходят к приемной антенне. Сово­купность всех этих факторов приводит к различным величинам доплеровского сдвига частот отдельных элементарных сигналов. В результате принятый антенной сигнал представляет собой сумму большого числа независимых сигналов, имеющих случайную фазу и различный доплеровский сдвиг частот, т. е. определяется не одной принятой частотой, а непрерывным спектром частот, так называемым доплеровским спектром.

Экспериментальные исследования рассеянных дном сигналов подтверждают их шумоподобный характер с плотностью распределения вероятности мгновенных значений, близкой к нормальному закону

Центральная часть этого спектра соответствует доплеровскому сдвигу частоты. Ширину доплеровского спектра частот приближенно можно найти как разность доплеровских сдвигов частот для направлений, ограничивающих антенный луч.

где — ширина доплеровского спектра сигнала (на уровне половин­ной мощности); — раствор характеристики направленности или ширина диаграммы направленности (на уровне 0,7 мощности сигнала).

Получим приближенное выражение для ширины доплеровского спект­ра частот

Следовательно, задача измерения скорости судна с помощью до­плеровского лага сводится к измерению средней частоты доплеровского спектра. Этот полезный сигнал на фоне близкой по статистическим свойствам шумовой помехи выделяет приемник по признаку возраста­ния плотности мощности в полосе частот, занимаемых сигналом. Оче­видно, что при любом отношении сигнал/шум будет иметь место по­грешность в измерении скорости судна.

Эффективный способ снижения флюктуационных погрешностей — их сглаживание путем временного усреднения результатов измере­ний за некоторое время Т₀.

Если обозначить символом N число статистически независимых измерений за некоторое время T_Q, то, как известно, при усреднении

результатов измерения за время Т₀ среднеквадратичная погрешность уменьшается в раз. Следовательно, в рассматриваемом случае сте­пень уменьшения погрешности будет определяться формулой

Где — значение погрешности, усредненной на интервале времени T_Q. — мгновенное значение погрешности.

16. Методы повышения точности доплеровских лагов

1. Компенсация влияния непостоянства скорости звука в воде( с ):

Скорость звука в морской воде изменяется в пределах ±5% от 1500м/с,

возникают недопустимо большие погрешности, поэтому применяют

следующие способы компенсации этой погрешности:

а).Метод прямого измерения с вблизи места установки акустической антенны:

- это осуществляется с помощью специальных устройств - скоростомеров, обладающих высокой точностью, характеризуемой сотыми долями процента.

Данный способ применяется, когда от лага требуется высокая точность.

б).Использование апробированных эмпирических формул ( косвенный способ определения с). Наиболее часто применяется формула Вильсона:

с = 1449,2+4,623*Т-0,0546*Т²+1,391*(S-35), где с- скорость звука в воде,(м/с);

Т-температура воды, (°С); S- соленость воды,(‰). Надо учитывать лишь влияние Т и для этого вблизи антенны лага располагают датчик температуры- термистор.

Влияние изменения S учитывают, вводя вручную поправки. Т.о. удается обеспечить погрешность в определении с около 0,1%.

в).Метод обеспечения постоянного (неизменного) значения с, путем стабилизации температуры жидкости(технические масла), омывающей со всех сторон блок акустического преобразователя (нижняя поверхность преобразователя соприкасается с забортной водой). Система автоматической стабилизации Т° содержит простейший нагреватель и термоконтакт, настроенный на определенную Т°.

г). Метод, заключающийся в компенсации нестабильности с за счет синхронного изменения частоты излучаемого сигнала fo

причем скоростомер выступает в качестве прямого регулятора указанной частоты.

д). Метод стабилизации отношения

(с/cosΘo ) при fo - const. Для этого применяют частотно-независимые антенны ( в доплеровском смысле) обладающие слабой направленностью.

2. Снижение влияния статических углов отклонения судна, качки.

стабилизация по отношению к плоскости истинного горизонта антенны. Это достигается путем установки антенны в кардановом подвесе

и придания ей положительного маятникового эффекта (заметное улучшение может быть достигнуто лишь при качке с большим периодом).

Более эффективным является размещение антенны на стабилизированной в плоскости горизонта платформе.

3. Снижение флюктуационных погрешностей

- их сглаживание путем временного усреднения результатов измерений за некоторое время То.

В открытом море величина То осреднения может составлять 150-300 с и тогда точность измерения скорости будет высокой и погрешность составит 0,005-0,1%( при обычно применяемых частотах fo = 200-300 кГц). При плавании в стесненных условиях значение То, превышающее 15с, будет уже чрезмерным и, наконец при швартовке То должно быть не более 15с. Для получения высокой точности при малом значении То (при швартовке) надо

использовать fo = 1-2 МГц.

№17 Навигационн эхолоты. Принцип действ, основн. пар-ры.

Г идроакустические приборы, предназначенные для определения вертикального расстояния до какого-либо подводного объекта, называ­ют эхолотами. В зависимости от назначения они подразделяются на навигационные, промерные (гидрографические), промысловые (для поиска рыбы и морского зверя), геологические и океанографические (для исследования толщи воды и морского дна). По принципу действия все эхолоты одинаковы. Далее рассматриваются только навигацион­ные эхолоты. Принцип действия эхолота состоит в использовании эхо-метода, сущность которого заключается в следующем. Пусть А - излучатель звуковых волн, а В - приемник отраженного от морского дна сигнала, который называется эхо-сигналом. Расстояние АВ между излучателем и приемником, называемое базой антенны, обозначим ℓ_a тогда база антенны связана с глубиной моря h под килем судна следующим соотношением:

где С₀ – скорость звука в море, t- время между посылом и приходом сигнала. Из второго выражения следует, что основная задача определения глубины с помощью эхолота практически сводится к измерению весьма малого промежутка времени t между моментами излучения и приема сигнала, отраженного от грунта. На рис приведена структурная схема нав эхоло­та. Схема действует следующим образом. В определенный момент вре­мени t_o по команде с индикатора И схема управления посылкой им­пульсов СУ подключает генератор импульсов ГИ к излучающей антен­не А. Посланный звуковой сигнал распространяется в направлении морского дна. Отраженный от грунта эхо-сигнал в момент времени t₁ возбуждает приемную антенну В, в которой возникает электрический сигнал. Этот сигнал усиливается в усилителе У и поступает на индикатор И, где определяется промежуток времени t = t₁ — t₀ и вырабатывается ин­формация о глубине h. В качестве индикатора глубины применяются указатели глубин, самописцы и цифровые указатели глубин. Для определения промежутка времени t в навигационных эхоло­тах используются различные методы: вращающегося диска — в указа­телях НЭЛ-5 и НЭЛ-10; вращающегося барабана — в самописце НЭЛ-5; вращающегося пера — в самописце эхолота «Кубань»; бесконечной ленты — в самописцах НЭЛ-10 и НЭЛ М-ЗБ и др. Следует иметь в виду, что показываемая эхолотом глубина h измеряется от уровня установки антенн. Если требуется знать глубину от поверхности моря, то необходимо учесть осадку судна в месте установки антенн. Основные параметры эхолота.

Параметры импульсов. Импульсы различаются по форме огибаю­щей, по заполняющей частоте, длительности и частоте следования. Чаще всего применяются импульсы прямоугольной и экспоненциаль­ной формы. К первым относятся импульсы незатухающих колебаний. Их огибающая имеет прямоугольную форму и заполняется 30 — 40 колебаниями рабочей частоты. Ко вторым относятся импульсы, огиба­ющая которых имеет форму затухающей экспоненты. Анализ показывает, что при равных исходных данных отношение мощностей импульсов первой и второй форм составляет 10³ — 10⁴. Это означает, что импульс прямоугольной формы может распространяться на значительно большие расстояния, чем экспоненциальный. Форма импульса также в сильной мере влияет на ширину ∆f полосы пропу­скания приемного тракта. Значение ∆f у экспоненциального импульса должно быть больше, а это сильно ухудшает защищенность приемного тракта от помех. Длительность импульса выбирают с учетом следующих противо-речивых условий: интенсивности шума, воспринимаемого приемником.

И нтенсивность пропорциональна ∆f_ш и, следова­тельно, обратно пропорциональна τ. Другими словами, чем больше длительность импульса, тем меньший уровень шума воспринимает приемник. энергия импульса. Она пропорциональна τ, поэтому с увеличением τ возрастает его дальность распространения. длительности импульса. Чем короче импульс, тем выше порог возникновения кавитации. Уменьшение τ приводит к увеличению раз­решающей способности эхолота по глубине.Значение τ у современных эхолотов колеблется в пределах от 10^-3до 10^-5 с.Частота (ω _П) посылок зависит от запроектированной максимальной глубины (h_мах) диапазона и значения расчетной скорости( С₀) звука. Частота посылок: Разрешающая способность эхолота по глубине. Минимальное расстояние между 2 объектами, расположенными один за другим на звуковом луче, которое ещё не способен различать эхолот, называют его разр способностью m_h по глубине. В непосредственной близости от излучателя она зависит от реверберации моря. Вне области действия реверберации определяющим фактором является длина импульса S = С₀ τ.

Направленность антенн. Этот параметр эхолота рассчитывают так, чтобы в условиях качки заданной интенсивности обеспечивался надежный прием эхо-сигналов. С помощью простых геом построений (рис.7.21) можно доказать что предъявлен ное требование удовлетворяетс, если принять, что γ_i=β_i. (где γ_i — по­ловинный раствор хар-ки направленности, β_i —амплитуд­ное значение угла крена). Оптимальная рабочая частота. Выбор оптимальной рабочей час­тоты зависит от того, какая преследуется при этом цель. Пусть, напри­мер, необходимо обеспечить максимальную дальность h_max действия эхолота при минимальных затратах энергии. Это условие хар-ся следующим логическим равенством: I_{э. min}= К₁· I_γш, где I_э.min - наименьшее значение интенсивности эхо-сигнала, еще способного возбудить приемник; К₁ - коэффициент «распознания», который показывает, каким должно быть отношение сигнал/помеха, чтобы сигнал был принят с заданной вероятностью; I_yш — интенсив­ность помехи (шума), воспринимаемой приемником. Чтобы определить значение величины I_эmin считаем, для упрощения, что излучатель характеризуется мощностью N и коэффициентом концентрации ξ ↑ , а отражение происходит от абсолютно ровного дна (коэффициент отражения A = 1). При таких условиях интенсивность падающей волны на расстоянии h_max от излучателя:

Как следует из рис., изображенного ниже, интенсивность I_э отраженной волны вблизи приемника можно формально рассматривать как интенсив­ность некоторого мнимого источника, расположенного в точке О₁ и имеющего одинаковые с реальным излучателем характеристики. На основании этого можно принять:

Если же учесть вязкость и неоднородность морской воды, то в соответствии с формулами, приведенными выше, будем иметь:

Путём преобразований:

Э то значение f_опт (в кГц) соответствует макс глубине (в км),если только другие аргументы постоянны. Диапазон рабочих час­тот современных навигационных эхолотов обычно находится в преде­лах 15— 100 кГц. Точность эхолота. В реальных условиях скоро­сть звука неодинакова в различных районах моря. Поэтому глубина будет измерена с некоторой ошибкой. Определим значение поправки ∆h_с кото­рой необходимо исправлять показания эхолота. Измеренная глубина:

Истинная:

№18 Радиодоплеровские сис-мы измрения скорости.

В современных спутниковых радионавигационных системах (РНС) второго поколения, к которым относится российская система ГЛОНАСС и американская НАВСТАР, определение пространствен­ных координат объекта и составляющих его абсолютной скорости дви­жения основывается на одновременных и непрерывных дальномерных и доплеровских измерениях. В этом заключается их существенное от­личие от спутниковых РНС первого поколения «Цикада» (Россия) и «Транзит» (США), в которых скорость непосредственно не определя­лась, и наоборот, точность определения координат зависела от точно­сти знания путевой скорости объекта, инф-ция о которой должна была поступать от других источников (обычно от лага). При достаточно длительном интервале времени плавания в стационарных условиях средняя скорость может быть определена на основе величины пройден­ного расстояния и затраченного времени. В действующих спутниковых РНС ГЛОНАСС и НАВСТАР движе­ние навигационного искусственного спутника Земли (НИСЗ) описыва­ется в геоцентрической экваториальной прямоугольной системе коор­динат ОХУ2 (рис. 9.7).

Если обозначить координаты НИСЗ (точка С) символами : x_C, у_C , z_С, а координаты судна (в общем случае — потребителя — точка D) — х,у,г, то расстояние между ними определится следующим, хоро­шо известным из аналитической геометрии, выражением:

Радиальная скорость г может быть получена дифференцированием по времени равенства выше. В результате получим:

где х_с, у_с, г_с с точками — составляющие скорости НИСЗ; к, у, г с точками— составляющие скорости судна (потребителя). В уравнении шесть неизвестных: три координаты судна (х, у, z) и три составляющие его скорости (х, у, г с точками). Здесь следует отметить, что координаты спутника х_с, у_с, г_с, а также составляющие его скорости х_с, у_с, к_с, с точками получаемые на основе высокоточных наземных измерений, сообщаются потребителю в служебной информации с каж­дого спутника на момент определения. При использовании одновременных определений дальности г и радиальной скорости г для отыскания шести неизвестных необходимо и достаточно выполнить измерения по трем НИСЗ. Чтобы отобразить этот факт, целесообразно записать уравнение в следующем виде:

Исходя из формальных соображений определение шести указан­ных выше неизвестных должно производиться путем решения совме­стной системы шести уравнений (9.29) и (9.30) при г = 1, 2, 3. Однако при определенных условиях задачу можно упростить и перейти к раз­дельному (независимому) решению двух систем уравнений, содержа­щих соответственно три координаты судна и три составляющие его скорости. В рассматриваемом случае таким условием является отсут­ствие откликов одних измеряемых величин на изменение других. Мож­но показать, что определение радиальной скорости г, которое произво­дится на основе доплеровских измерений, весьма слабо откликается на изменения определенного расстояния г.

На основании изложенного практически без потери точности об­работка результатов определения г. и г. производится в два этапа. На первом этапе по полученно­му г₍ вычисляются координа­ты судна, а на втором — по значению г₍ с точкой и уже найденно­му г. находятся составляю­щие скорости судна к, у, г.с точкой. Определение навигаци­онных параметров, каковыми являются дальность и ради­альная скорость, осуществля­ется на основе измерения ра­дионавигационных характе­ристик сигнала НИСЗ, таких как τ₁ — время распростране­ния (задержка) сигнала от I-го НИСЗ до судна, Δω_di — доплеровский сдвиг несущей частоты излучения 1-го НИСЗ. (Фактически Δω_di — это f_di). По измеренной величине т₍. можно сразу рассчитать первый нави­гационный параметр — расстояние r пользуясь очевидным соотноше­нием r₁ = с*τ₁ (9.31), где с — скорость распространения электромагнит­ных колебаний в данной среде. Аналогично этому, по измеренному доплеровскому сдвигу частоты Δω_di, представляющему собой разность частоты принятого с НИСЗ сигнала и номинальной частоты опорного генератора судовой прием­ной аппаратуры, можно, пользуясь известным математическим пред­ставлением эффекта Доплера, непосредственно определить второй на­вигационный параметр — радиальную скорость r. по формуле

где ш-₁ — частота излученного сигнала (сообщается в служебной части информации).

Т аким образом, в результате решения дальномерно-скоростной задачи получены координаты судна х, у, г и составляющие скорости его движения х, у, z с точками в прямоугольной геоцентрической экваториальной си­стеме координат. Однако потребителей интересуют иные координаты, а именно те, которые они используют для практической навигации. На морском судне таковыми являются географические. В соответствии с этим ма­тематическое обеспечение аппаратуры потребителя строится таким образом, чтобы было предусмотрено решение задачи по преобразова­нию как координат, так и составляющих линейной скорости в требуе­мую систему. Например, отечественная судовая аппаратура «Шкипер», работа­ющая по сигналам системы ГЛОНАСС, в качестве конечного резуль­тата, относящегося к обсуждаемому вопросу, выдает географические координаты (широту φ и долготу λ) и путевую скорость судна V.

№19 Определение угловой ориентации судна на основе измерений по навигационным ИСЗ.

Появление спутниковых РНС второго поколения (типа ГЛОНАСС и НАВСТАР) открывает новые возможности определения угловой ори­ентации объекта, в том числе морского судна, в пространстве, т.е. обеспечивает измерение мгновенных значений углов курса, крена и дифферента.

П ринципиальная сторона проблемы определения угловой ориен­тации судна достаточно проста и легко выясняется из следующего при­мера, базирующегося на известных положениях навигации. Используем прямоугольную систему координат, в силу ограничен­ности охватываемого в примере пространства. Предположим, что в поле зрения наблюдателя, находящегося на судне, имеются два точечных ориентира 0₁ и 0₂ (рис. 5.5).

В один из них (точка О^) поместим центр прямоугольной сис-мы коорд О_хХУ. Направления осей О_хХ и 0_{ У совпадают с направле­ниями параллели и меридиана. Координаты точек 0₁(х₁,у₁) и О_г (х2,у2) считаем точно известными. Предположим, что дальномерным способом измерены рас­стояния г₁и г₂ до указан­ных точечных ориентиров и, тем самым., определены координаты судна (наблю­дателя) х₃ у₃ (точка О₃) помощью какого-либо устройства можно материализовать на­правление с судна на, до­пустим, ориентир 0₂. Указанное направление 0₃ 0₂ физически реализуется, например, осью симметрии оптической трубы. Угол между на­правлениями 0₃ 0₂ и диам плоскостью судна является курсовым углом ориентира О На осн-нии известного из аналитической геометрии соотношения определяется угол γ.

П осле этого истинный курс судна находится по формуле ИК = КУ-γ Аналогичным образом, имея подходящие ориентиры можно найти угол крена и угол дифферента, т.е. полностью определить угловую ориентацию судна по отношению к горизонтной системе ко­ординат. Вся проблема упирается в достижение необходимой точности, бы­стродействия и возможности автоматизации процесса, но главное пре­пятствие состоит в том , что с помощью береговых ориентиров не решить проблему глобальной навигации.

Практическая реализация рассмотренного принципа оказалась возможной на базе уже созданных, почти полностью развернутых и успешно функционирующих спутниковых РНС второго поколения ГЛОНАСС и НАВСТАР. Названные глобальные системы навигации обладают всеми необходимыми предпосылками, которые необходимы для решения проблемы определения угловой ориентации в пространстве лю­бого морского, воздушного или космического (приземного) объекта. Указанные глобальные системы обеспечивают: высокоточное, непрерывное определение пространственных коор­динат объекта; передачу на объект высокоточной информации о пространствен­ных координатах тех навигационных ИСЗ (НИСЗ), с которыми ведет­ся работа; наличие в любой точке Земного шара (и его окрестностях) в поле наблюдения непрерывно не менее 3-х или (после завершения разверз тывания) 4-х НИСЗ. Теоретические основы метода

Исходным положением является то, что координаты судна (точка 0_{) и НИСЗ (точка 0₂) точно известны в любой момент времени в прямоугольной геоцентрической экваториальной системе координат ОХУZ. (рис. 5.6.). Если на этой основе в этой же системе координат обеспечить однозначное определение пространственной ориентация прямой линии О1, 0₂, то, осуществив измерение углов α ν σ между осями Х_с У_с Z_С и направлением 0₁ 0₂, можно определить положение этих осей по отношению к системе координат ОХУZ,. Отметим, что система У Z_С является жестко связанной с судном системой коорди­нат (ось 0₁ Х_с совпадает с про­дольной осью судна, ось 0_{ У_с — с поперечной, а ось 0₁ Z_С перпен­дикулярна палубе). Заключительной операцией является преобразование углов α ν σ, измеренных в геоцентри­ческой экваториальной системе координат, к углам по отношению к горизонтной системе координат ОNЕп, т.е. к той, в которой осу­ществляется навигация морских судов.

М атериализация направле­ния 0₁ О2 может быть выполнена двумя известными радиотехниче­скими способами: радиопеленгационным и интеферометрическим. Радиопеленгационный способ предусматривает использование антенны с узкой диаграммой направленности, снабженной следящей системой, обеспечивающей непрерывное совмещение оси симметрии антенны с направлением на источник сигнала, т.е. линией О_х 0₂- Измерение уг­лов α ν σ, а между осью симметрии антенны и осями Х_с У_с Z_С, связанны­ми с судном известным образом, принципиальных трудностей не пред­ставляет. Для указанных целей, возможно, использовать как параболи­ческие антенны, так и антенные решетки. Имеется положительный опыт использования параболических антенн в радиосекстанах, уста­навливаемых на военных кораблях и обеспечивающих измерение вы­сот радиозвезд (источников галактических излучений в диапазоне ра­дио частот) с точностью порядка 1 угловой минуты. Следует отметить, что параболические антенны представляют собой сложное и дорогое устройство. По этой причине в реализованных экспериментальных системах определения угловой ориентации судна по НИСЗ более пред­почтительным оказался интерферометрический способ. Сущность интерферометрического способа заключается в том, что разнесенные на некоторое расстояние (базу) две антенны ненаправ­ленного действия , жестко связанные с объектом, принимая сигнал от одного источника, позволяют оценить разность хода сигнала до двух упомянутых антенн (рис. 5.7.). В силу большой удаленности источника 0₂ от базы АВ считаем, что лучи распространяются параллельно. Обозн длину базы АВ=d, среднюю точку-0₁, угол прихода волны - в (а = 90° — в). Из рис видно, что разность хода лучей Δг определяется следующей формулой Δг = dсоs θ = dsin α. О чувствит-сти интерферометрического способа. Очевидно, что наименее благоприят­ной является ситуация, когда угол в = 90° (а = 0°), т.е. линия О1 0₂ перпендикулярна базе и, следовательно, Δг = 0. По этой причине целесообр определять чувствительность при минимальных значени­ях угла а. Т О, для обеспечения чувствительности в 1 угловую минуту при наиболее неблагоприятной ориентации НИСЗ по отношению к базе интерферометра необходимо измерить разность фаз с по­грешностью около градуса. Для определения ориентации базовой линии на плоскости (в двух­мерном пространстве) (при одновременном определении координат места объекта) необходимо использовать два НИСЗ и измерить раз­ность хода лучей до двух разнесенных антенн от этих НИСЗ. Основные источники погрешно­стей определения угловой ориентации объекта рассматриваемым способом: неточное определение линий визирования вследствие неточного знания координат спутника и коор­динат центра базы; нестабильность фазовых сдвигов в приемном устройстве аппарату­ры потребителя; изменение положения фазовых центров антенны; ошибка при разрешении многозначности фазовых измерений. Выполненные исследования на созданных к 1993 г. эксперимен­тальных (полупромышленных) системах позволяют считать достижи­мыми точности определения угловой ориентации порядка 0,1°.

№20 Бесплатформенные гирогоризонт компасы. ЛГ, ОВГ.

П ринцип действия лазерного гироскопа. Основным элементом ЛГ явл-ся кольцевой оптический квантовый генератор (КОКГ). КОКГ называют устрой­ство, в котором генерируются и поддерживаются автоколебания э/магнитной энергии в оптическим диапазоне частот на основе эф­фекта усиления э/магнитных колебаний при помощи вынужден­ного, индуцированного излучения атомов. Лазерным гироскопом (ЛГ) называется такой квантовый генера­тор, в котором генерируются волны оптического диапазона, распрост­раняющиеся в противоположных направлениях, и который снабжен устройством, осуществляющим измерение частоты возникающих бие­ний указанных волн. Функционально в навиг технике ЛГ используется как преобразователь угловой скорости и угла поворота в инерциальном пространстве того основания, на котором он установлен. Из сказанного становится понятным и обоснованным применение к нему термина "гироскоп". Простейшими формами кольцевой структуры ЛГ являются треугольник или четырехугольник с несущественным каче­ственным различием между ними. На рис. 3.4 показан треугольный вариант кон­тура, состоящий из двух непрозрачных 1, 2 и одного полупрозрачного 3 зеркал, расположенных в верши­нах тр-ка. Такая система отражателей на­зывается резонатором. По­лупрозрачное зеркало ис­пользуется для вывода ча­сти энергии контура с целью получения инф-ции о частоте колебания в нем. Для того, чтобы лик­видировать неизбежные потери энергии в резонаторе, в него включен активный элемент, осуществляющий преобр-ие электр энергии в э/маг­нитные колебания. В кач-ве такого элемента использован газовый лазер 4, обеспечивающий монохроматичность и когерентность излуче­ния, и система возбуждения его активной среды, называемая системой поджига и накачки 5. Эффективная техническая реализация газового лазера в настоя­щее время достигнута при использовании в качестве активной среды смеси двух газов: гелия и неона. В указанной смеси индуцированное излучение возможно с несколькими длинами волн. Для лазерного ги­роскопа оптимальной считается длина волны λ = 0,63 мкм. Излучения, выходящие через торец А и через торец В газового лазе­ра, образуют внутри резонатора систему волн, бегущих навстречу друг другу. Частота колебаний каждой волны зависит от оптической длины проходимого пути. В идеальном случае, при отсутствии вращения осно­вания в инерциальном пространстве вокруг оси, перпендикулярной пло­скости резонатора (в рассматриваемом случае вокруг оси, перпендику­лярной плоскости рисунка), волны, распространяющиеся по часовой стрелке и против часовой стрелки, будут иметь одинаковую частоту. При возникновении вращения основания вокруг упомянутой выше оси с угловой скоростью ω (на рис. 3.4 для определенности оно указано стрелкой с опе­рением) ситуация радикально изменится. Причина состоит в том, что в соответствии с основным постулатом теории относительности скорость распространения э/магнитных колебаний (скорость света) является мировой константой, т.е. имеет пост величину по отношению к неподвижной в пр-ве сис-ме координат.

С корость распространения э/магнитных колебаний по отно­шению к вращающейся сис-ме координат, т.е. относительная, будет различной: для источника, движущегося в сторону распр-ия излучения, она будет равна (С- V), а для источника, движущегося в сторону, противоположную излучению, ее величина составит (С + V). Если теперь определить абсолютную скорость, равную относительной плюс переносной, то в первом случае получим (С-V+V) =С и во втором (С+V-V)=С. Для выяснения существа явления будем вместо треугольного кон­тура рассматривать чисто кольцевой (рис. 3.5), что не меняет сути дела, но упрощает математическую строну вопроса При отсутствии угловой скорости ω имеет место следующее соотношение, известное из теории вол­новых процессов: f=c\λ. В случае появления ω, в соответствии с выше­изложенным, для источника излучения А спра­ведливо:

д ля В:

Т О, при вращении лазерного гироскопа в инерциаль-ном пространстве волны, бегущие навстречу друг другу внутри резона­тора, будут иметь отличающиеся частоты. Как известно, при наложе­нии таких волн друг на друга возникают биения. Частота этих биений определяется по формуле:Δf=fA-fB. Или:

Из формулы вытекает фундаментальный вывод о том, что частота биений прямо пропорциональна угловой скорости вращения резонатора по отношению к инерциальному пространству. Важно подчеркнуть, что частота биений зависит только от величины проекции переносной угловой скорости на нормаль к контуру резонатора. Для выделения частоты биений используются фотоэлектронные умножители 6 (рис. 3.4.). Выходящие через полупрозрачное зеркало 3 встречные волны через специальную оптическую систему поступают на катод фотоэлектронного умножителя, где образуют интерференци­онную картину. При отсутствии угловой скорости со отсутствуют бие­ния и интерференционная картина (система интерференционных по­лос) стационара. При появлении угловой скорости со интерференцион­ная картина начинает перемещаться по фотокатоду, причем чередование максимумов интенсивности происходит со скоростью, определяемой часто­той биений. В системе обработки информации 7 путем преобразования синусоидального сигнала, снимаемого с фотоэлектронного умножителя, в счетную последовательность прямоугольных импульсов осуществляется представление частоты биений в цифровой форме. Таким образом, количе­ство импульсов, подсчитанных за секунду времени, равно частоте биений, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна угловой скорости со. ТО, ЛГироскоп может быть отнесен к датчи­кам угловой скорости с частотным выходом (частотным датчикам уг­ловой скорости). Исп-ие оптического диапазона частот, т.е. очень малых длин волн А, позволяет реализовать чрезвычайно высо­кую чувств-сть лазерного гироскопа к угловой скорости, вслед­ствие большой величины масштабного коэффициента К = К/Х. Так, например, лазерный гироскоп, построенный на оптическом квантовом генераторе, представляющем собой четырехугольный резонатор со стороной 25 см и работающем на частоте 5 • 10 Гц (пятьсот Терагерц), обла­дает чувствительностью 4 • 10 Гц на угловую скорость в 1 рад/с. Такое свойство является очень ценным, т.к. именно в области измерения частот современная техника имеет весьма большие достижения.

Л азерный гироскоп может быть использован и как измеритель угла поворота в инерциальном пространстве того основания, на котором он установлен. Для этого достаточно просуммировать число импульсов за время интегрирования. Тогда сумма импульсов окажется равной , т.е. углу поворота основания. Эта операция выполняется в реверсивном счетчике 8, где происходит суммирование с учетом знака со. Численное значение цены одного импульса в существующих лазер­ных гироскопах составляет А = 1,25"/импульс. Эта величина убеди­тельно показывает, какими большими измерительными возможностя­ми обладает данная техника. Важно при этом подчеркнуть, что число импульсов зависит только от угла поворота основания и не зависит от флуктуации угловой скорости со внутри интервала интегрирования.

Так как выходной сигнал лазерного гироскопа имеет дискретную форму, его можно вводить непосредственно в ЭВМ. В этом случае функции реверсивного счетчика будет выполнять одна из подпрограмм машинного алгоритма. В указанной совместимости лазерного гироско­па с цифровой вычислительной техникой заключается одно из самых больших его преимуществ по сравнению с обычными электромехани­ческими гироскопами. Другим достоинством ЛГ является от­сутствие вращающихся механических частей, что во много раз повы­шает его надежность по сравнению с э/механическими гироскопами, особенно с контактным подвесом. Следует также отметить такие достоинства лазерного гироскопа, как практиче­ски мгновенный запуск, малая потребляемая мощность (единицы ватт), высокая точность измеряемых угловых скоростей, малая чувст­вительность к линейным перегрузкам того объекта, на котором гиро­скоп установлен, а также широкий динамический диапазон работы по угловым скоростям (от 10 °/ч до 10 /с), что делает этот прибор особо пригодным для использования в бесплатформенных инерциальных си­стемах ориентации и навигации.

Волоконно-оптический гироскоп. Весьма перспективным с позиций применения на судах морского флота считается появившийся в последние годы волоконно-оптический гироскоп (ВОГ). Чисто технические преимущества волокон­но-оптических гироскопов по сравнению с лазерными: в них практиче­ски отсутствует явление "захвата", отпадает необходимость в таком сложном блоке как резонатор, отсутствуют сложные в изготовлении зеркала и т.д. Принцип действия волоконно-оптического гироскопа схож с прин­ципом действия лазерного гироскопа, отличие состоит лишь в том, что свет распространяется в канале замкнутого контура, представляющем собой катушку оптического волокна. При вращении катушки с угловой скоростью со вокруг оси, орто­гональной плоскости витков катушки, происходят явления, аналогичные тем, что были рассмотрены в лазерном гироскопе, и в результате которых возникают биения, частота которых определяется формулой:

где N — число витков в оптическом контуре катушки. Из формулы (3.25) вытекает, что высокая чув­ствительность волоконно-оптического гироскопа мо­жет быть достигнута на ос­нове использования многовитковой катушки. Принципиальная схема волоконно-оптиче­ского гироскопа представ­лена на рис. 3.6. Оптический контур гироскопа образован воло­конным световодом. Длина этого световода обычно составляет несколько сотен метров, а диаметр катушки находится в пре­делах 6—12 см. В отличие от лазерного гироскопа, в волоконно-оптическом гиро­скопе практически не возникает явления синхронизации, поскольку это пассивная конструкция, в которой световой источник (лазер) нахо­дится вне оптического контура. В качестве источника лазерного излучения в волоконно-оптиче­ском гироскопе обычно используют полупроводниковые твердотель­ные лазеры (лазерные диоды), имеющие длину волны излучения в пределах 0,9—1,3 мкм. При рассмотрении рис. 3.6 становится ясно, что лазерное излуче­ние, созданное лазерным диодом 1, пройдя светоделитель 2 и устройст­ва ввода-вывода 3 и 4, поступает в оптический контур и, как и в лазерном гироскопе, распространяется в двух противоположных на­правлениях. Пройдя через оптический контур, световые потоки, с по­мощью светоделителей 2 и 5, подаются на фотодетектор 6, где и проис­ходит выделение и определение разностной частоты световых лучей. Она позволяет в конечном счете определить значение угловой скорости ω. В одном плече оптического контура установлен фазовый модуля­тор 7, который при отсутствии угловой скорости ω обеспечивает отно­сительный сдвиг фаз двух колебаний на π/2. ВОГ, используемые в созданных гирогоризонткомпасах, имеют случайный дрейф, величина которого на­ходится в пределах 0,1—0,01°/ч. Общие сведения о бесплатформенных системах навигации и ориентации. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) и бесплатформенные системы ориентации (БСО), к которым относятся и гирогоризонткомпасы, являются системами аналитического типа, т.к. не содержат в своем составе гиростабилизированных платформ. Главное отличие бесплатформенных систем от платформенных состоит в том, что в бесплатформенных системах инерциальные чувст­вительные элементы (гироскопы и акселерометры) монтируются на соответствующей плате, которая жестко связана с объектом. Иначе говоря, они крепятся непосредственно на корпусе объекта. Применительно к морскому флоту наиболее перспективными по­казали себя бесплатформенные системы, построенные на трех датчи­ках угловой скорости и трех (двух) акселерометрах. В качестве датчи­ков угловой скорости в них применены оптические гироскопы (лазер­ные и волоконно-оптические). Разумеется, что в бесплатформенных системах все инерциальные измерения производятся в системе координат, связан­ной с объектом. Для целей судовождения параметры ориентации объ­екта (курс, крен, дифферент), а также параметры его движения (ско­рость) и положения (широта и долгота) должны быть определены в горизонтной (географической) системе координат. По этой причине необходимой составной частью бесплатформен­ной системы является вычислительное устройство, осуществляющее функции пересчета, причем с высоким быстродействием. Можно ска­зать, что только в результате создания современных ЭВМ оказалась возможной реализация бесплатформенных систем навигации. Бесплатформенные системы навигации обладают рядом сущест­венных преимуществ по сравнению с платформенными. Среди досто­инств следует отметить:

1) отсутствие гиростабилизированной платформы, содержащей сложные высокоточные механические, а также электрические элементы;

2) снижение энергопотребления, вытекающее из п. 1;

3) повышение надежности и ремонтопригодности;

4) сокращение времени начальной выставки;

5) возможность применения гироскопических чувствительных элементов, базирующихся на новых принципах;

6) сравнительно более простое комплексирование с ЭВМ.

На пути широкого применения бесплатформенных систем встречается и ряд трудностей, основными являются:

1) чрезвычайно высокие требования, предъявляемые к чувстви­тельным элементам (гироскопам и акселерометрам) в отношении точ­ности, быстродействия, а также диапазону измеряемых величин, вы­текающие из условий их работы при жестком закреплении на борту объекта (качка, удары, вибрации);

2) высокие требования к быстродействию и объему памяти ЭВМ, функционирующих в сложных меняющихся физических условиях.