Sb95706

по способу построения вертикали места с аналитической или расчетной вертикалью, с инерциальным построителем вертикали;

по наличию стабилизированной платформы (СП) – со стабилизированной гироскопической или астроплатформой, бесплатформенные и др.

Всостав любой ИНС входит блок ЧЭ (акселерометров и гироскопов) и вычислитель, в котором реализуется навигационный алгоритм. Важным элементом платформенных ИНС является СП, которая выполняет две основные функции:

обеспечивает независимость угловой ориентации инерциальных чувствительных элементов ИНС от угловых движений объекта и от действующих на платформу возмущающих моментов;

используя информацию от ЧЭ, преобразованную вычислительным устройством, обеспечивает изменяющуюся по заданному закону угло-

вую ориентацию блока ЧЭ.

СП разделяются по области применения, принципу действия, кинематической схеме, используемым чувствительным элементам и другим признакам. По кинематической схеме различают платформы одноосные, двухосные, трехосные и многоосные. По принципу действия СП, применяемые в ИНС, могут быть силовыми, индикаторно-силовыми и индикаторными.

Вплатформах силового типа обязательно наличие гироскопов, гироскопические моменты которых достаточно велики по сравнению с другими моментами, действующими по осям подвеса (возмущающими, моментами сил инерции и др.). Гироскопический момент в этом случае непосредственно противодействует возмущающим моментам, а момент стабилизирующего двигателя осуществляет межрамочную коррекцию, ликвидируя последствия действия возмущающих моментов (отклонение в ходе прецессии вектора кинетического момента гироскопа от нормали к рамке его подвеса).

Вплатформах индикаторного типа возмущающим моментам противо-

действует только момент, развиваемый стабилизирующим двигателем. Гироскопы в данном случае будут лишь индикаторами изменения углового положения платформы.

Промежуточное место занимают индикаторно-силовые платформы. Их могут выполнять, например, на малых гироскопах с двумя степенями свободы или на поплавковых интегрирующих гироскопах. В таких СП возмущающим моментам противодействуют в основном стабилизирующие двигатели.

31

3.2. Классификация ИНС по способу ориентации измерительных осей инерциальных датчиков

Наибольшее распространение получила классификация ИНС по принципу пространственной ориентации измерительных осей ЧЭ. Свяжем с каждой группой датчиков базовые трехгранники: xayaza с акселерометрами и

xгyгzг с гироскопами. Рассмотрим характерные случаи вращения этих трех-

гранников:

базовые трехгранники являются инерциальными, т. е. не вращаются от-

базовые трехгранники вращаются таким образом, что одна из их осей

гранников можно получить девять вариантов построения ИНС [7]. Однако на практике используют ИНС четырех типов: полуаналитического, геометрического, аналитического и бесплатформенного.

Рассмотрим принцип действия каждого из этих типов ИНС на примерах одномерных схем. При этом будем считать, что объект движется по дуге большого круга невращающейся Земли и определяется только одна координата, равная длине дуги пройденного пути (одномерная ИНС).

3.3. Принципиальные схемы ИНС различных типов

Пространственная ИНС любого типа состоит из гироориентатора, в состав которого входит СП с блоками ЧЭ, и вычислительного устройства. С помощью гироориентатора моделируется инерциальный или горизонтный трехгранник и измеряются ускорения, воздействующие на объект в точке установки гироориентатора. В вычислительном устройстве по сигналам акселерометров и датчиков углов, расположенных в гироориентаторе, вырабатываются

32

все необходимые навигационные элементы: координаты φ и λ, составляющие скорости N , E , курс К, а иногда и углы качки к, .

Углы эти определяют следующим образом (рис. 3.1). Введем трехгранник xкyкzк, жестко связанный с объектом (корабль). Ось xк совпадает с поперечной осью объекта и направлена к правому

цией на горизонтальную плоскость.

Угол крена к отсчитывают в поперечной плоскости (плоскости шпангоута) между осью xк и линией пересечения указанной плоскости с плоскостью горизонта. Положительными считаются значения ψ при дифференте на корму, а к – при крене на правый борт.

Полуаналитическая ИНС (ПА ИНС). В полуаналитической ИНС оси базовых трехгранников параллельны, причем на датчики момента гироскопов подают такие сигналы, чтобы одна из осей (za, z ) непрерывно совмещалась с

направлением местной вертикали, т. е. a г (рис. 3.2).

Гироскопы помимо функций стабилизации выполняют еще роль интегрирующих элементов. Своим названием ПА ИНС обязана тому, что вертикаль здесь моделируется физически с помощью СП, а необходимые для этого угловые скорости разворота платформы рассчитывают аналитически. Подробнее алгоритм работы ПА ИНС будет рассмотрен в 3.4.

33

направлением местной вертикали, т. е. a , г 0.

Платформа П1 (рис. 3.3), на которой установлен гироскоп Г с датчиком угла ДУГ, может поворачиваться относительно оси, перпендикулярной плоскости рисунка, с помощью двигателя Д1, управляемого от вычислительного устройства ВУ.

Платформа П1 и акселерометр А установлены на платформе П2. Контур стабилизации состоит из ДУГ, усилителя и двигателя Д2. Схема ВУ не отличается от схемы рис. 3.2. Как и в ПА ИНС, сигнал акселерометра, установленного на платформе П2, стабилизированной по сигналам ДУГ в горизонте, дважды интегрируется и масштабируется. Полученное значение ∆φ отрабатывается с помощью Д1 и датчика угла платформы ДУ1. Такимобразом,отличиеот ПАИНСсостоитвспособевведениянастабилизаторобратнойсвязи.Навигационные параметры ∆φ, и ψ получаются так же, как и в ПА ИНС.

34

R

Рис. 3.3. ИНС ГТ

Название ИНС ГТ связано с тем, что и направление, независимое относительно инерциального пространства, и направление местной вертикали строят в этом случае физически.

ИНС аналитического типа (ИНС AT). В этих ИНС (рис. 3.4) оба базовых трехгранника совпадают и не вращаются в инерциальном пространстве, т. е.

a г 0.

ВУ

R

т

н

Рис. 3.4. ИНС АТ

На платформе установлены те же элементы, что и в предыдущем случае. По сравнению с предшествующими схемами в ВУ введены два новых блока –

35

преобразователь координат ПК и сумматор. Обратная связь по ∆φ замыкается в ПК.

При движении объекта из точки н , в которой платформа была установлена горизонтально, в точку т сигналы акселерометров А1 и А2 (a1 и a2) перепроектируютсявПКчерезтекущийугол вгоризонтальнуюплоскость. Операции с горизонтальной составляющей ускорения aг не отличаются от

рассмотренныхранее.Такимобразом,вданномслучаенаправлениевертикали рассчитывается аналитически,откуда иназвание ИНС AT.Навигационныепараметры и вычисляются, как и ранее, угол килевой качки ψ получается на выходе сумматора как разность значения угла, полученного с ДУ, и координаты .

БесплатформенныеИНС(БИНС). В БИНС базовые трехгранники жестко связаны с объектом, т. е. a г к. Проекции абсолютной угловой скоро-

сти трехгранника на его оси можно измерить, например, тремя гироскопическими измерителями абсолютной угловой скорости. Во многих случаях ориентацию опорного трехгранника целесообразно определять с помощью неуправляемых трехстепенных гироскопов. Схема одномерной БИНС показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5. БИНС

Гироскоп Г установлен на корпусе объекта. Датчик угла ДУГ измеряет углы поворота ротора относительно корпуса гироскопа. На объекте есть два акселерометра А1 и А2 со взаимно перпендикулярными осями чувствительности. Таким образом, состав ЧЭ БИНС не отличается от состава элементов на

36

платформе ИНС AT, схемное отличие состоит в том, что на ПК вместо вводится угол ψ с выхода сумматора. БИНС работает аналогично ИНС AT. Разница в том, что горизонтальная составляющая ускорения aг получается проектированиемускорений a1 и a2 сучетомуглакачкиψ,анеугла .Навигационные элементы , и ψ вычисляют так же, как и в ИНС AT.

Рассмотрим подробнее алгоритм работы ПА ИНС с различной ориентацией измерительных осей инерциальных датчиков.

3.4. Полуаналитические ИНС

Алгоритмы, по которым работает вычислительное устройство ПА ИНС, обеспечивают решение следующих задач:

выработку составляющих ускорений, которые необходимо вычесть на выходе акселерометров с тем, чтобы на входе первых интеграторов получить ускорения движения объекта относительно Земли;

вычисление угловых скоростей, с которыми необходимо поворачивать стабилизированную платформу (СП) вокруг трех ее осей таким образом, чтобы она сохраняла заданную ориентацию в пространстве, моделируя географический горизонтный трехгранник либо свободную в азимуте систему координат;

определение навигационных элементов;

дополнительные задачи, связанные, например, с переходом из географической в квазигеографическую систему координат и обратно.

Вкачестве примера рассмотрим гироориентатор морской ПА ИНС, представляющий собой трехосный гиростабилизатор с закрепленными на нем акселерометрами. В качестве чувствительных гироскопических элементов чаще всего используют либо два трехстепенных гироскопа, либо три двухстепенных, например поплавковых.

На рис. 3.6 приведена упрощенная схема гироориентатора ПА ИНС. Два ЧЭ Г1 и Г2 установлены на СП с двумя акселерометрами А1 и А2. Вектор ки-

гироскопа Г1 направлен вдоль оси z, вектор H2

вдоль оси y платформы.

Три степени свободы СП относительно корпуса обеспечивает карданов подвес. Корпус гироориентатора на морских объектах устанавливают так, чтобы ось наружного кольца подвеса была параллельна диаметральной плос-

37

кости судна. В этом случае ее называют осью бортовой качки (БК), ось промежуточного кольца осью килевой качки (КК), ось вращения СП азимутальной осью. На осях платформы установлены двигатели стабилизации и датчики углов, вырабатывающие сигналы, пропорциональные углам поворота кардановых колец: к.п угол поворота кольца БК относительно корпуса; п

угол поворота кольца относительно кольца БК; qп курсовой угол (поворот СП относительно кольца КК).

ПК

Д3

q

ДУ3

Рис. 3.6. Кинематическая схема гироориентатора ПА ИНС

Рассмотренные углы при подобной установке гироориентатора и моделировании СП географического трехгранника равны углам объекта с точностью до погрешностей стабилизации СП в горизонте и геометрических погрешностей карданова подвеса, т. е. qп К; п ; к.п к.

Угол рассогласования между роторами и корпусами гироскопов измеряется в трехстепенных гироскопах с помощью двухкоординатных датчиков

38

угла ДДУ с ортогональными осями списывания. Сигнал с Г2, соответствующий рассогласованию в азимуте, после усиления подается на двигатель Д3, установленный на оси азимутального кольца. Сигналы с Г1 через преобразователь координат ПК управляют двигателями Д1 и Д2. ПК работает по известному алгоритму:

ux ux cosq uy sinq;u y ux sinq u y cosq.

где ux и u y сигналы, снимаемые с гироскопа Г1;

ux и u y сигналы, управляющие стабилизирующими двигателями.

Сигнал, снимаемый с Г2 и соответствующий повороту платформы вокруг оси х, будет избыточным и его можно использовать для межрамочной коррекции этого гироскопа (рис. 3.6). Для управления движением СП на датчик моментов ДМ гироскопов подают сигналы x , y и z .

При выводе алгоритмов ПА ИНС предполагают, что элементы ИНС работают без ошибок и погрешности начальной выставки равны нулю.

ПА ИНС с географической ориентацией осей. Трехгранник xyz, связан-

ный с платформой, моделирует географический сопровождающий трехгранник ξηζ [8]. Сигналы с выходов акселерометров пропорциональны проекциям кажущихся ускорений объекта на оси х и у: ax a ; ay a , где a , a опре-

деляются выражениями:

39

e,a,b эксцентриситет земного эллипсоида и его полуоси;

широта объекта;

угловая скорость вращения Земли.

Для получения скорости движения объекта по поверхности Земли необходимо, чтобы на входы первых интеграторов поступали только ускорения относительного движения. Следовательно, ускорения Кориолиса и ускорения, связанные с криволинейностью движения объекта (движение не по ортодромии), должны быть скомпенсированы [8]. Из (3.1) следует, что компенсируемые составляющие ускорения равны:

Таким образом, на входы первых интеграторов поступают следующие величины:

После интегрирования, с учетом ввода начальных скоростей N (0) иE (0), получают северную и восточную составляющие относительной скорости движения объекта: