Студеникин - Технические средства судовождения

Сравнивая полученные выражения с аналогичными выражениями для двухги- роскопного компаса, замечаем, что установившееся отклонение αч главной оси ги- рокомпаса от направления меридиана содержит кроме скоростной девиации состав-

ляющую

Приближенное равенство в (4.17) возможно ввиду малости vE по сравнению с R3Ω3. Эта составляющая, называемая широтной девиацией, обусловлена выбранным спо- собом гашения прецессионных колебаний гироскопа и становится равной нулю, ес- ли разорвать контур демпфирования, т.е. сделать Аz = 0 .

Что касается угла βч отклонения главной оси гироскопа от плоскости горизонта,

то он в точности соответствует аналогичной координате двухгироскопного компаса с учетом того, что роль модуля В − С играет Ау .

Как нетрудно заметить из уравнений (4.13), можно сформировать сигналы Uky и Ukz коррекции гироскопа таким образом, чтобы углы αч и βч стали равными нулю при любых стационарных параметрах движения судна. Для этого необходимо вы- полнить следующие условия:

Последние равенства будут иметь место, если

Для формирования указанных напряжений необходима внешняя информация о ско- рости движения судна и широте его места. Информацию о курсе судна, требуемую для определения vN и vЕ, снимают с датчика курса гирокомпаса.

Характер собственного движения главной оси гироскопа аналогичен двухгиро- скопному компасу [13].

Подводя итог сказанному отметим, что:

§процесс установления главной оси гироскопа в меридиан носит гармони- ческий характер;

§период затухающих колебаний чувствительного элемента зависит как от параметров прибора, так и от широты места судна и скорости его движе- ния;

§при отсутствии сигналов коррекции, сформированных внешними устройст- вами, после завершения переходного процесса гирокомпас будет иметь широтную и скоростную девиации;

§введением сигналов внешней коррекции можно скомпенсировать система- тические ошибки гирокомпаса.

Впредыдущем параграфе было установлено, что при любых стационарных па-

раметрах движения судна устойчивым азимутальным положением указанной оси будет плоскость истинного меридиана.

Впроцессе маневра судна из-за воздействия на акселерометр сил инерции воз- никает прецессия главной оси, и она отклоняется от плоскости меридиана.

Угол Δα, на который переместится главная ось гироскопа за время маневра (от 0 до t), определится следующими равенствами:

Сравнивая полученные выражения с аналогичными выражениями для двухгиро- скопного компаса, нетрудно установить их полную аналогию. Однако в связи с тем, что в рассматриваемом случае устойчивым положением оси чувствительного эле- мента гирокомпаса является плоскость истинного меридиана, инерционную девиа-

цию гирокомпаса будет определять не угол между текущим положением вектора

кинетического момента гироскопа и направлением компасного меридиана, как это

Последнее выражение свидетельствует о том, что инерционная девиация коррек- тируемого гирокомпаса не зависит от широты места судна, что является сущест- венным преимуществом рассматриваемого типа компаса.

4.6. Принцип действия гироазимута

Гироскопические азимуты являются приборами, способными с определенной степенью точности удерживать заданное направление главной оси своего гиро-

скопа неизменно ориентированным относительно Земли. Их часто на-

зывают так же гироскопами направления, гирополукомпасами или курсовыми ги-

роскопами. Указанный прибор строится на базе гироскопа с тремя степенями сво- боды.

Вполне очевидно, что свободный гироскоп, ввиду наличия его видимого ухода относительно Земли [15], не может быть использован в качестве гироазимута. Этот уход должен быть скомпенсирован с помощью тех или иных систем коррек- ции. В общем случае перед названными системами стоят две основные задачи. Они должны:

§удерживать главную ось гироскопа в плоскости горизонта,

§вызывать такую прецессию гироскопа в азимуте, чтобы угловая скорость его видимого ухода относительно земных ориентиров была бы равна ну-

лю.

Указанные задачи решаются системами горизонтальной и азимутальной кор- рекции, соответственно. В зависимости от требований, предъявляемых к прибору, эти системы могут иметь различную степень сложности.

Типовая схема систем коррекции гироазимута, использующегося на транс- портных судах, приведена на рисунке 4.9. В данной схеме горизонтальная кор- рекция астатического гироскопа с тремя степенями свободы осуществляется кон- туром, включающим в себя акселерометр (индикатор горизонта) А, усилитель УZ, сумматор СZ и двигатель (датчик момента) ДМZ. Указанный контур коррекции ра- ботает следующим образом. При возникновении отклонения главной оси ох0 ги-

роскопа от плоскости горизонта на некоторый угол β на выходе акселерометра появится напряжение UA, пропорциональное этому углу. После усиления в усили-

теле УZ это напряжение поступит на датчик момента ДМZ, который приложит к наружной оси гироскопа мо-

устройствами. Это напряжение поступает в сумматор СZ, в котором оно склады- вается с напряжением UyZ, поступающим от усилителя УZ контура горизонтальной коррекции.

Канал азимутальной коррекции включает в себя вычислительное устройство В, вырабатывающее напряжение, используемое для компенсации видимого ухода оси гироскопа в азимуте, и усиливающее его до уровня, необходимого для управ- ления датчиком момента ДМу, сумматор Су и датчик момента ДМу. Скорость ви- димого ухода астатического гироскопа в азимуте при отклонении его оси от плос- кости горизонта, близком к нулю определяется следующим соотношением[15]:

Всоответствие с этим выражением в вычислителе В должен быть сформирован сигнал, осуществляющий азимутальную коррекцию гироскопа. Для решения ука- занной задачи в него вводится информация о скорости судна v, широте его места φ и курсе К.

Втом случае, если сигналы коррекции сформированы идеально точно, а сам при-

бор не имеет технологических погрешностей и не подвержен влиянию никаких внешних факторов, то ориентация его главной оси относительно земных ориенти- ров будет неизменной. Однако указанный случай на практике не имеет место. По- этому реальный гироазимут всегда указывает заданное направление с определен- ной погрешностью.

Гироазимут не обладает направляющим моментом, позволяющим ему сориен- тироваться в том или ином азимутальном направлении аналогично тому, как это имеет место в гироскопических и магнитных компасах. Действительно, гироскопи- ческий компас способен определить направление горизонтальной составляющей уг- ловой скорости вращения Земли, которая лежит в плоскости меридиана, и, тем са-

мым, сориентировать главную ось гироскопа в данном направлении.

Картушку магнитного компаса устанавливает в соответствующий ме-

ридиан горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля

Земли. Однако произвольное азимутальное направление не имеет ка- ких-либо особенностей, позволяющих техническим средствам его од- нозначно распознать. Поэтому, как уже было указано, в начальный момент времени

главная ось гироскопа тем или иным способом ориентируется в заданном направле- нии и удерживается в дальнейшем в этом направлении системой азимутальной кор-

рекции. При наличии ошибок в формировании сигнала коррекции, а также вследствие технологического несовершенства прибора и влияния на его ра- боту вешних возмущающих факторов гироскоп приобретает угловую ско- рость прецессии относительно заданного направления, что приводит к появ- лению погрешности ориентации, непрерывно изменяющейся во времени. Это

существенно ограничивает возможности практического применения прибора на морских судах в силу того, что за время рейса при невозможности проведения дос- таточно частой коррекции его показаний по другим источникам информации, ошиб- ка гироазимута может достигать величин, неприемлемых для целей судовождения.

ЛИТЕРАТУРА К РАЗДЕЛУ

1.Богданович М.М. Применение гироскопических приборов и систем на морских судах. – М.: Транспорт, 1977. – 261 с.

2.Воронов В.В., Перфильев В.К., Яловенко А.В. Технические средства судовожде- ния: Конструкция и эксплуатация: Учебник для вузов / Под ред Е.Л. Смирнова. –

М.: Транспорт, 1988. – 335 с.

3.Гирокомпас “Гюйс”. Техническое описание ПИКВ.461524.001ТО.

4.Гирокомпас “Яхта”. Техническое описание ИДТЛ.461524.002ТО, 1992, 38с.

5.Коган В.М., Чичинадзе М.В. Судовой гироазимуткомпас “Вега”. – М.: Транс-

порт, 1983. – 200 с.

6.Кудревич Б.И. Теория гироскопических приборов. Т.2. – Л.: Судостроение, 1965.

– 296 с.

7.Летов А.М. К теории гирополукомпасов. – Инж. Сборник, т.Х111, изд. АН

СССР, 1952.

8.Малогабаритный универсальный аналитический гирокомпас. - Информация http://www.vimi.ru/oil-gas

9.Павлов В.А. Теория гироскопа и гироскопических приборов. – Л.: Судостроение, 1964. – 495 с.

10.Патент №1810762 (Российская федерация) на изобретение «Поплавковый чув- ствительный элемент гирокомпаса» (приоритет от 13 августа 1990 г.). Патенто- обладатели: ГМА им. С.О. Макарова и ЦНИИ «Дельфин». Авторы Е.Л. Смирнов

идр.

11.Ривкин С.С. Теория гироскопических устройств. – Часть 2. – Л.: Судострое-

ние, 1964. – 547 с.

12.Смирнов Е.Л., Яловенко А.В., Перфильев В.К., Воронов В.В., Сизов В.В. Технические средства судовождения. Т 2. Конструкция и эксплуатация: Учебник для вузов. – СПб.: “Элмор”, 2000. 656 с.

13.Смирнов Е.Л., Яловенко А.В., Якушенков А.А. Технические средства судово- ждения: Теория: Учебник для вузов /Под ред. Е.Л.Смирнова. – М.: Транспорт, 1988. – 376 с.

14.Смирнов Е.Л. Гироскопические навигационные системы. Научное издание, -

СПб.: «Элмор», 2004. – 400 с.

15.Студеникин А.И. Основы работы гироскопических и интегрированных систем ориентации и навигации. Часть 1. – РИО НГМА, 2002.

16.Студеникин А.И. Устройство и эксплуатация гирокомпаса “Стандарт 14 плюс” фирмы “Анщютц”. Мортехинформреклама. Морской транспорт. Серия “Судо- вождение, связь и безопасность мореплавания”. Экспресс-информация, вып

9(364), 1999, с. 1 – 12.

17.Студеникин А.И., Филатова Р.Г., Слюсарев В.А. Особенности устройства и эксплуатации гирокомпасов на динамически настраиваемых гироскопах. Морте- хинформреклама. Морской транспорт. Серия “Судовождение, связь и безопас- ность мореплавания”. Экспресс-информация, вып 11(378), 2000, с. 1 – 12.

18.Черняев Р.Н. Международная и навигационная регламентация требований к навигационному оборудованию судов. сб. Судостроение за рубежом. ЦНИИ

“Румб”, вып. 8 (200). 1983.

19.Яловенко А.В. Богданович М.М. Судовые гироскопические приборы: Учебн. пособие. – Л.: Судостроение, 1990. – 224 с.: ил.

20.Gyro Compass Equipment “Standard 14 Plus Version”. Technical Handbook.

21.Gyrocompass TG-5000. Operator’s manual. Tokyo Keiki Co., LTD.1990.

22.Rate-of-Turn Indicator Equipment “Raytheon”. http://www.raymarine.com

23.Service Instruction for Gyro Compass Equipment Standard 20 plus: Raytheon Electronics, ed. 02. 1996.

24.The Meridian Gyrocompass. S.G Brown Brochure.

25.Фуко (Foucault) Жан Бернар Леон. http://www.zvezdi-oriona.ru/177269.htm

5.1. Общая характеристика измерителей угловой скорости поворота судна

В соответствии с требованиями международной морской организации (ИМО) все суда валовой вместимостью 100 000 тонн и более должны быть снабжены уст- ройством для измерения угловой скорости (ИУС) поворота судна. При этом прибор должен удовлетворять следующим требованиям (Резолюция А.526 (13) “Standard of rate-of-turn indicator”):

§ИУС может быть как автономным, так и являться частью другого соответствую- щего оборудования или получать информацию от него;

§он должен обеспечивать измерение угловой скорости в сторону левого и правого бортов;

§индикация угловой скорости может осуществляться с помощью аналогового или цифрового репитера. На аналоговом репитере поворот судна влево должен инди- цироваться смещением указателя влево от нуля отсчета, а поворот вправо — смещением вправо. Предпочтительнее использование репитера с круглой шка- лой, длиной не менее 240 мм и нулем отсчета, расположенным в середине. На цифровом репитере должна быть также обеспечена индикация стороны поворота;

§должна быть предусмотрена линейная шкала в диапазоне угловых скоростей не менее 30°/мин; также могут быть предусмотрены дополнительные линейные шкалы;

§постоянная времени ИУС поворота в процессе эксплуатации должна быть варьи- руемой в пределах до 10 с;

§измеренная угловая скорость не должна отличаться от действительной, более чем на 0,5°/мин плюс 5% от измеренной угловой скорости, включая погрешность, обусловленную вращением Земли;

§бортовая качка с амплитудой 5° и периодом до 25с и килевая качка с амплитудой 1° и периодом до 20с не должна вызывать погрешности в измерении угловой скорости поворота более чем на 0,5°/мин.

§указанные требования к точности измерения угловой скорости должны обеспе- чиваться при скорости судна до 10 узлов;

§время приведения ИУС в полную готовность к работе должно быть не более 4 мин;

§конструкция ИУС должна быть такой, чтобы его работа не ухудшала характери- стик других приборов, к которым он подключен;

§ИУС должен иметь устройство, позволяющее убедиться, что он работает.

Отечественной промышленностью и зарубежными фирмами разработаны ряд моделей рассматриваемых приборов. Отдельные их образцы имеют достаточно вы- сокий порог чувствительности. Так, гиротахометры ATEW (Швеция) могут изме- рять угловую скорость, равную 0,018 0/мин [3]. Это достигается за счет использова- ния воздушного подвеса ротора ГТ и “электрической пружины”. Отечественный ГТ “Галс” имеет обычный “сухой” подвес и может использоваться как в системе авто- матического управления курсом судна, так и в режиме ручного управления. И в том и в другом случаях улучшается качество управления. Как показали исследования [2], при ручном управлении точность удержания судна на курсе удается повысить на 15 – 25%. Это достигается за счет того, что рулевой обнаруживает тенденцию к по- вороту судна по показаниям ГТ раньше, чем это можно обнаружить по репитеру ги- рокомпаса. Особенно это заметно при управлении крупнотоннажными судами. Весьма целесообразно использование информации, поступающей с ГТ при плавании в стесненных условиях и выполнении швартовных операций. В этом случае, зная порог чувствительности ωп используемого ГТ, при плавании вдоль прямолинейного

участка фарватера нетрудно оценить минимальную величину бокового смещения bmin судна. Это можно сделать, используя следующее равенство [2,4]:

min v

где S – длина прямолинейного участка пути, v – скорость судна.

Аналогичную оценку можно получить и при движении судна по криволиней- ной траектории, имеющей радиус кривизны R. Для этого следует воспользоваться следующим равенством [2]:

bmin = ωn ( K )2 R2 , (5.2)

v

где ΔК – величина изменения курса судна.