10.4 Инициальная система и-11

Инерциальная система И-11, применяемая на самолете Ил-62, является полуаналитической ИНС со свободной в азимуте ориента­цией осей. Эта система автономная и позволяет решать задачи самоле­товождения.

Инерциальная система И-11 обеспечивает:

-автономное или совместно с системой автоматического управления выполнение полета по маршруту в соответствии с программой, вве­денной в нее перед полетом или в полете (программируется до девяти участков маршрута);

-непрерывное автоматическое вычисление и индикацию текущего места ЛА в географической (φ и λ) и ортодромической (φ₀, λ_о) системах;

-формирование и индикацию заданного путевого угла (ЗПУ) и бо­кового уклонения ΔZ от заданного направления маршрута;

-формирование и индикацию путевой скорости V_n и угла сноса (УС)

-определение и индикацию времени полета Т и оставшегося рас­стояния Soc до очередного промежуточного пункта маршрута (ППМ);

-определение и индикацию путевого угла (ПУ) и истинного курса ψ;

-вычисление и индикацию направления δ_в и скорости (U) ветра;

-ручную коррекцию частноортодромических координат места ЛА;

-индикацию географических координат и номеров ППМ введенных в систему, индикацию показателя готовности системы к работе, сигна­лов компенсации уходов гироскопов и составляющих путевой скорости VпN и VпE в цифровой форме.

Входными сигналами И-11 являются ИВС V и абсолютная высота Набс, выдаваемые СВС.

В И-11 входят (рис. 10.10) гироскопическая платформа ПГ-1В-11, блок электроники БЭ-3, блок автоматики БА-20, блок специализиро­ванного питания БСЛ-5, пульт управления ПУ-36, цифровой вычислительный комплекс ЦВК и аккумуляторная рама Р-3.

В свою очередь, ЦВК состоит из устройства ввода индикации УВИ, аналого-цифрового блока связи АЦБС и специализированного вычислительного устройства СВУ.

В кабине _Экипажа размещены: ПУ-36, УВИ переключатель «Управление от И-11», кнопка «Сброс отказа И-11», светосигнальное табло «Управл. от И-11».

Погрешность определения текущих географических координат φ и λ за 7 ч работы системы И-11 составляют: по боковому 37 км по дальности 46 км. Время готовности системы при температуре окружающей среды +20 °С не более 35 мин.

Основные блоки системы. Гироскопическая ПГ-1В-11 обеспечивает положение осей чувствительности акселерометра в заданных направлениях относительно Земли и формирует с помощью акселерометров для ЦВК сигналы а_х, а_у и a_z, пропорциональные уско­рениям, действующим на платформу, выдает данные об угловых по­ложениях ЛА в виде сигналов с датчиков углов Ду_х, Ду_у, Ду_z на блок БЭ-3 и в режиме «Курсовертикаль» вырабатывает сигналы тангажа υ и крена γ ЛА.

Блок электроники БЭ-3 осуществляет усиление сигналов с датчи­ков углов Ду_х, Ду_у и Ду_z в каналах стабилизации по курсу, тангажу и крену и выдачу управляющих сигналов на двигатели стабилизации ψ, υ, γвн, γнар , а также арретирование и термостабилизацию гиро­скопов, платформы и собственно блока электроники.

Блок автоматики БА-20 интегрирует сигналы акселерометров а_х, а_у и а_z и преобразует их в импульсы Q_x, Q_y и Q_z, воспринимаемые ЦВК, преобразует управляющие сигналы ЦВК и выдает на датчики моментов гироскопов сигналы, пропорциональные угловым скорос­тям ω_х, ω_y и ω_z, а также обеспечивает прохождение режимов «Выставка», «Навигация», «Курсовертикаль» и встроенный контроль ис­правности гироплатформы. Цифровой вычислительный комплекс ЦВК на основе информации, получаемой в различных датчиков, на основе жесткой программы вы­числений обеспечивает предполетную подготовку и работу системы И-11, решение задач самолетовождения с высокой точностью и конт­роль работы системы.

Аналого-цифровой блок связи АЦБС обеспечивает преобразова­ние исходных данных, поступающих с блока УВИ и аналоговых дат­чиков системы, в код и выдает их для последующих вычислений в блок СВУ, преобразование кодовой информации с выхода СВУ в ана­логовые сигналы и для ее индицирования на УВИ.

Специализированное вычислительное устройство СВУ на основа­нии исходных данных и жесткой программы непосредственно решает задачи самолетовождения и обеспечивает работу системы И-11.

Устройство ввода и индикации УВИ позволяет набирать и вводить исходные данные и индицирует навигационные параметры.

Пульт управления ПУ-36 обеспечивает включение системы, управ­ление режимами работы и методами выставки платформы и также да­ет возможность определить состояние системы.

Блок специализированного питания БСП-3 вырабатывает специа­лизированное питание, необходимое для обеспечения работоспособ­ности системы.

Аккумуляторная рама Р-3 является аккумуляторной батареей, которая обеспечивает непрерывность питания И-11 постоянным то­ком напряжением 27В и исключает снижение питающего напряже­ния ниже +27 В. Время работы системы аккумулятора не более 1 мин. Основой И-11 является пространственная гиростабилизированная четырехрамочная платформа ПГ-1В-11. Основным достоинством та­кой схемы являются: большие углы прокачки платформы и рам, ком­пактность и жесткость самой платформы. Платформа установлена на ЛА так, как показано на рис. 10.11. Наружная рама /, ось 0Y которой ориентирована вдоль строительной оси ЛА, называется рамой наруж­ного крена. Рама 2, ось вращения ОХ которой перпендикулярна оси 0Y, называется тангажной. Следующая рама 3 — внутреннего кре­на. Рама 4, ось 0Z вращения которой перпендикулярна осям ОХ и ОY, — рама курса. На платформе П, связанной с рамой курса, разме­щены два трехстепенных астатических гироскопа Г1 и Г2 типа ГПА-20 и три акселерометра А_х, А_y, А_z типа ДА-1. В качестве датчиков уг­ловых отклонений ЛА относительно положения платформы исполь­зуются синусно-косинусные трансформаторы СКТ ψ, СКТ υ и СКТ γ с двухступенчатым отсчетом углов (грубый и точный - на рис. 21.8 СКТ с точным отсчетом углов обозначен звездочкой).

Рис 10.10. структурная схема инерциальной систему И-11

Акселерометры установлены так, чтобы их оси чувствительности были взаимно перпендикулярны и образовали трехгранник OXYZ. Акселерометры А_хи А_у выдают информацию для решения навигационных задач, А_г служит для выдачи сигналов, пропорциональных вер­тикальному ускорению. Ось кинетического момента Н₂ гироскопа Г2 (восточного) ориентирована на оси ОХ, ось кинетического момента Н₁, гироскопа Г1 (северного) ориентирована по оси ОY. Гироскоп П прецессирует относительно осей ОХ и ОZ, а Г2 — относительно осей ОY и ОZ.

Стабилизация рам карданова подвеса осуществляется с помощью следящих систем. На осях рамок гироскопов установлены датчики моментов Дм. При подаче на них сигналов, формируемых ЦВК, об­разуются управляющие моменты М_ynp, приложенные к гироскопам по определенным осям. Под их действием гироскопы прецессируют и выдают сигнал с индукционных датчиков угла Ду через усилители стабилизации платформы УСП на двигатели отработки.

Под их действием платформа отслеживает направление векторов кинетических моментов Н_х и Н_у гироскопов. Стабилизация платформы в пространстве осуществляется раздельно по каждой оси ее карданова подвеса.

При эволюциях ЛА оси υ и γ_вн меняют свое положение в простран­стве и поэтому между датчиками угла Ду_х, Ду_y и следящими система­ми γвн и υ имеется преобразователь координат ПК ψ, связанный с осью ψ и распределяющий сигналы в зависимости от значения угла ψ.

Таким образом, гиростабилизированная платформа ориентирует оси чувствительности акселерометров в горизонтальной системе коор­динат OXYZ со свободной в азимуте ориентацией осей. Особенность такой системы состоит в том, что проекции угловой скорости трехгран­ника OXYZ на ось OZ, совпадающей с осью 0Z_г, географической системой координат, равны нулю,

Рис 10.11 кинематическая схема гироплатформы инерциальной системы И-11

Рис 10.12 Канал арретирования инерциальной системы И-11

т. е. оси ОХ и 0Y платформы не вра­щаются вокруг оси 0Z относительно инерциального пространства. Применение этой системы координат позволяет избавиться от основ­ного недостатка ИНС с географической системой координат —резкого увеличения ошибок при полетах Л А в высоких широтах, когда состав­ляющие ускорений, пропорциональные tgφ, быстро нарастают. Рас­сматриваемая платформа имеет еще одну особенность. Физическое мо­делирование осей трехгранника OXYZ осуществляется гироскопами Г1 и Г2, поэтому оси их кинетических моментов должны быть строго перпендикулярны. Для этого применяют канал арретирования, пред­ставленный на рис. 21.9. На вход усилителя арретирования У_ар с датчика Ду_z подается сигнал рассогласования между азимутальной осью гироскопа Г2 и азимутальной осью платформы. С выхода усили­теля сигнал поступает на Дмω_z2 и заставляет гироскоп Г2 прецессировать в азимуте до тех пор, пока не будет обеспечена перпендикуляр­ность кинетических моментов. Гироскоп ГПА-20 является поплавко­вым астатическим гироскопом с трехфазным синхронным гистерезисным гиромотором

ГСМ-1Б. Акселерометр ДА-1 относится к чувстви­тельным элементам маятникового поплавкового компенсационного типа, принцип действия которого основан на измерении инерционного момента с помощью электрической пружины.

Связь блоков, входящих в состав ЦВК, представ­лена на рис. 10.13. После подачи питания и команды с ПУ-36, опре­деляющей подрежим подготовки системы к полету в режиме «Выставка», нажатием соответствующих кнопок наборного поля УВИ вводятся исходные параметры и координаты. Вместе с этим в ЦВК поступают сигналы, пропорциональные приращению скорости и гироскопичес­кому курсу. На основании полученной информации ЦВК вычисляет и выдает управляющие сигналы и команды, которые обеспечивают функционирование И-11. По мере готовности системы на УВИ инди­цируется показатель готовности и выдается команда «Готовность». В режиме «Навигация» ЦВК вычисляет и выдает навигационные па­раметры, индицируемые на УВИ, и сигналы, обеспечивающие функ­ционирование системы. В наземном режиме «Контроль системы» ЦВК вычисляет расчетные координаты и сравнивает их с фактическими, выдавая в случае необходимости команду «Неисправность». СВУ яв­ляется цифровым вычислителем с жесткой программой с двоичной сис­темой кодирования чисел и команд.

Режимы работы системы И-П. В системе И-11 предусмотрены сле­дующие режимы работы: обогрев, выставка, навигация, контроль, Курсовертикаль. Переключение режимов производится подачей соответствующих команд с ПУ-36.

Рис 10.13 Функциональная схема цифрового вычислителя комплекса И-11

Режим «Обогрев». Этот режим предназначен для создания опреде­ленных температурных условий работы блоков и элементов системы. В гироплатформе применяется обогрев и термостатирование гироско­пов в диапазоне 7О...75°С, а также акселерометров и элементов бло­ков БА-20 и БЭ-3. Режим «Обогрев» производится перед режимом «Выставка» или одновременно с ним. При одновременном проведении этих режимов вначале включается режим «Обогрев», а затем при до­стижении температуры гироскопов (20 ± 5)°С происходит автомати­ческий переход на режим «Выставка». Система термостатирования работает во всех последующих режимах.

Режим «Выставка», Назначение режима «Выставка»: горизонтирование платформы ПГ-1В-11, т. е. приведение осей чувствительности акселерометров и гироскопов в плоскость горизонта; определение ориентации осей чувствительности акселерометров и гироскопов отно­сительно меридиана, т. е. определение начального азимутального угла платформы φ₀ (аналитическое гирокомпасирование); компенсация на­чального дрейфа платформы, причем полностью или частично. Режим «Выставка» определяется командой «Выставка» с ПУ-36 и командой «Вкл. система», формируемой в ПГ-1В-11 при достижении темпера­туры гироскопов (20 ± 5) °С. При этом на систему поступают напря­жения: 27 В; 200 В, 400 Гц; 36 В, 400 Гц и специализированные на­пряжения, вырабатываемые блоком БСП-5.

В И-11 предусмотрено три режима выставки: одинарное гирокомпа­сирование, двойное гирокомпасирование и выставка по заданному курсу. Процесс выставки производится автоматически и по мере про­хождения ее этапов на УВИ высвечивается цифровое значение сиг­нала «Признак готовности» (ПГ), соответствующее каждому этапу.

Одинарное гирокомпасирование является основным видом вы­ставки и состоит из трех подрежимов: грубая выставка, горизонтирование и выставка в азимуте или гирокомпасирование.

В подрежиме «Грубая выставка» происходит разгон гироскопов и осуществляется предварительное ориентирование платформы по сиг­налам СКТ-датчиков углов ψ, υ, γ (см. рис. 10.11). Сигналы с СКТ через усилители стабилизации платформы (УСП) блока БЭ-3 поступают на двигатели отработки Mψ, Мυ, Mγ, которые ликвидируют углы рассогласования между осями ЛА 0X_gY_gZ_g и осями платформы OXYZ. Во время прохождения подрежима «Грубая выставка» на УВИ высве­чивается значение ПГ «90». По окончании этого режима выдается команда «Горизонтирование» и на индикаторе УВИ появляется циф­ра «80».

Подрежим «Горизонтирование» осуществляет установку платфор­мы в плоскость горизонта по сигналам акселерометров. При этом за­действованы три измерительные цепи (рис. 10.14).

Рис 10.14 измерительные цепи, реализующие подрежим «горизонтирование»

Согласно рис. 10.14 акселерометры, распо­ложенные на платформе, при неподвижном ЛА выдают сигналы, пропорциональные углу отклонения платформы от плоскости гори­зонта. Эти сигналы а_х и а„ через усилители датчиков моментов УДм_у УДм_х поступают на датчики моментов Дм_у и Дм_х, под действием ко­торых гироскопы прецессируют и выдают сигналы с датчиков углов Ду_у и Ду_х. Эти сигналы через УСП подаются на двигатели следящих систем платформы, которые разворачивают ее до тех пор, пока не про­изойдет выставка платформы в плоскость горизонта. При этом сиг­налы с СКТ отключены. При несовпадении оси OY платформы со строи­тельной осью ЛА 0Хg сигнал с СКТ ψ поступает на фазочастотный выпрямитель (ВФЧ) и датчик моментов Дм_г гироскопа Г1, который начинает прецессировать. Его сигнал с Ду_z1 через УСП подается на двигатель Mψ, который отрабатывает платформу в азимуте до совме­щения оси 0Y платформы с осью OX_g ЛА.

Подрежим «Гирокомпасирование» начинается после окончания под­режима «Горизонтирование» и осуществляется с помощью ЦВК-В И-11 управление азимутальной осью гироплатформы аналогично управлению азимутальной осью любого гироагрегата курсовой сис­темы, т. е. угловая скорость ее движения в азимуте устанавливается равной угловой скорости вращения Земли для текущей широты местонахождения ЛА. Но реализовано оно с помощью более точных датчи­ков и аналитических расчетов на цифровом вычислительном устрой­стве. Задача гирокомпасирования — вычисление начального азиму­тального угла платформы ψ₀ (рис. 10.15).

Процесс подрежима «Гирокомпасирование» разбит на два этапа: грубое и точное гирокомпасирование. Прежде чем перейти к рассмотрению этих этапов,

Рис 10.17 Схема цифровой выставки платформы в азимуте

необходимо выяснить физические процессы про­исходящие при гирокомпасировании платформы. Считаем что платформа установлена на неподвижном ЛА, находящемся в точке О на широте ψ (рис. 10.16). Платформа выставлена в плоскость горизонта и повернута в азимуте вокруг оси 0Z на угол ψ. Вектор угловой скорос­ти Ω₃ суточного вращения Земли направлен по оси мира, наклоненной к плоскости горизонта на угол φ. Тогда составляющая ωx угловой скорости вращения платформы вместе с Землей будет

(10.9)

Поворот платформы вокруг оси ОХ с угловой скоростью ωx вы­зывает соответствующий наклон платформы на угол β. Так как на платформе установлен акселерометр, ось чувствительности которого направлена вдоль оси OY, то он будет фиксировать составляющую кажущегося ускорения а_кy — gβ, которая пропорциональна β, а значит, и величине ωx, или азимутальному отклонению платформы ψ_0. На этом и построено определение неизвестного ψ₀ на месте стоянки ЛА при запуске И-11.

В блок-схеме цифровой выставки платформы в азимуте (рис. 10.17) сигналы с датчиков поступают на компенсационный интегрирующий преобразователь (ПИК) и затем в виде импульсов подаются на ЦВК, где проходят звено динамической коррекции (ЗДК), умножаются на коэффициент передачи k₂/a и сравниваются с расчетными составляющими угловой скорости вращения Земли Ω₃. С ЦВК сигналы посту­пают на соответствующие датчики моментов платформы. Так как азимутальный угол выставки платформы ψ₀ вначале не известен, то принимают ψ₀ = 0 и вводят значения составляющих угловой скорости Земли, рассчитанные на основе этой величины. Вычисленные по формулам согласно блок-схеме сигналы угловых скоростей

(10.10)

и поданные на датчики моментов вызовут видимый уход платформы, так как истинный ψ0=^ψ₀. Этот уход вырабатывает сигналы с акселе­рометров, которые после интегрирования на ПИК определяют вели­чины скоростей V_x и V_y, зависящие от ψ₀. С целью повышения точ­ности определения V_x и V_y после переходных процессов их осредняют:

(10.11)

Время осреднения Т_оср = 200 с. При этом на УВИ высвечивается значение ПГ «60». На основе вычислений (10.11) производят расчет азимутального угла в первом приближении

(10.12)

Погрешность такого определения Δψ₀ = 3°. По найденному ψ₀ уточ­няют составляющие угловой скорости вращения Земли и вводят в систему. На УВИ высвечивается значение ПГ «50», которое с учетом переходных процессов длится 75 с.

Этап точного гирокомпасирования характеризуется уменьшением коэффициентов передачи и, как следствие, увеличением переходных процессов. Азимутальный угол ψ₀ непрерывно уточняется по формуле

(10.13)

При уточнении значения ψ решаются уравнения (10.10). В момент начала точного гирокомпасирования высвечивается значение ПГ «40», которое индицируется в течение 4мин. При окончании этого этапа значения ПГ уменьшаются и достигают «0»...«10».

Завершающий этап этого подрежима — балансировка горизонталь­ных осей платформы. Описанный процесс одинарного гирокомпаси­рования происходит при балансировочных сигналах по горизонталь­ным осям ОХ и OY, оставшихся в памяти у вычислителя от последнего двойного гирокомпасирования. Изменение дрейфа гироскопов с тече­нием времени по отношению к дрейфу, определенному при последнем двойном гирокомпасировании, вызывает нескомпенсированный уход гироплатформы.

Балансировка азимутальной оси OZ осуществляется в течение все­го времени предыдущего этапа. Балансировка горизонтальных осей ОХ и 0Y производится с учетом предыдущего определения баланси­ровочных сигналов после завершения этапа гирокомпасирования. Вычисление балансировочных сигналов проводится с помощью СВУ на основе определенных зависимостей. Но при одинарном гирокомпа­сировании при наличии ошибки Δψ0, удается скомпенсировать только северную составляющую дрейфа гироплатформы, восточная со­ставляющая дрейфа остается ненаблюдаемой. Для полной компенса­ции дрейфа гироплатформы применяют режим двойного гирокомпа­сирования.

Виды выставки и двойное гирокомпасирование. Они включают в себя следующие подрежимы: грубая выставка, горизонтирование, допол­нительное гирокомпасирование, развороты, основное гирокомпаси­рование. Содержание и проведение этих подрежимов не отличаются от описанных выше. На этапе «Дополнительное гирокомпасирование» производится гирокомпасирование платформы, повернутой в азимуте на 90° по часовой стрелке относительно основного ее положения. Эта дополнительная операция позволяет скомпенсировать ненаблюдае­мую восточную составляющую дрейфа платформы. В результате ази­мутальный угол ψ₀ уточняется и балансировочные сигналы запомина­ются до следующего двойного гирокомпасирования.

Вид выставки платформы «Выставка по заданному курсу» использу­ется при наличии информации о стояночном курсе ЛА. Он состоит из следующих подрежимов: грубая выставка, горизонтирование, балан­сировка.

Азимутальный угол

(10.14)

Режим «Навигация». В этом режиме на основе исходных данных, полученных в результате выставки, введенных начальных условий и измерений чувствительных элементов платформы ЦВК определяет текущие координаты φ и λ, истинный курс ИК, угол сноса УС, путевой угол ПУ и скорость ЛА V_п. ЦВК формирует сигналы на Дм плат­формы так, чтобы трехгранник OXYZ был бы со свободной в азимуте ориентацией осей ОХ и OY. Алгоритм решения задач навигации разра­ботан с учетом использования модели Земли в виде эллипсоида Красовского.

В системе предусмотрена коррекция параметров φ, λ, S_0CT, Z при ручном вводе ΔS и ΔZ. Эта коррекция проводится по следующему ал­горитму:

(10.15)

где χ —угол между географическим и частноортодромическим меридианами;

ΔZi, ΔSi — поправки при i-й ручной коррекции, получаемые как разность между показаниями системы И-11 и системы, по которой производятся коррек­ция.

Угол χ вычисляется после смены очередного ППМ. От этого зави­сят также значения сумм поправок:

(10.16)

После проведения коррекции всех вышеперечисленных значений определяются S_0CT и Z до нового ППМ.

Режим «Контроль». Он обеспечивает автономную проверку сис­темы без подключения контрольно-проверочной аппаратуры. Этот ре­жим состоит из следующих последовательных этапов: начальной вы­ставки системы; подачи на вход ЦВУ сигнала, соответствующего на­чальному эталонному значению относительной скорости V_пэ; сравнения основных навигационных параметров, вычисленных ЦВУ на основе V_пэ с эталонными значениями, заложенными в долговременной памяти СВУ; анализа ошибок параметров и вывода о работоспособности сис­темы.

Во всех режимах, кроме режимов «Обогрев» и «Грубая выставка», система И-11 обеспечивается встроенным контролем работы системы стабилизации платформы, акселерометров, вторичных источников питания и ЦБК. При неисправности перечисленных элементов системы выдается команда «Отказ системы» и сигнал, указывающий место от­каза. При отказе ЦВК происходит автоматический переход на режим «Курсовертикаль».