CC BY
56
УДК 621.3 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-180-184
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ КАЛИБРОВКИ БИНС
М.Б. Богданов, А.В. Прохорцов, В.А. Смирнов
Представлен обзор и анализ существующих моделей и методов калибровки бесплатформенных инерциальных навигационных систем.
Ключевые слова: методы калибровки, бесплатформенная инерциальная навигационная система, акселерометр, датчик угловой скорости.
Калибровка обеспечивает реализацию потенциальных возможностей чувствительных элементов, на основе которых построена БИНС [1-13]. Точность современных БИНС в первую очередь определяется погрешностями калибровки их чувствительных элементов.
При калибровке определяют следующие составляющие [2, 3, 4]:
смещение нуля акселерометров и датчиков угловой скорости;
масштабные коэффициенты акселерометров и датчиков угловой скорости;
коэффициенты перекрестной чувствительности;
углы неортогональности.
Как правило, калибровка бесплатформенной инерциальной навигационной системы разбивается на 3 стадии [2, 5]:
1) Определение детерминированных ошибок каждого чувствительного элемента, т.е. определение значений коэффициентов его математической модели. Математическая модель на данном этапе описывает связь выходного сигнала чувствительного элемента и измеряемой величины (угловой скорости, ускорения, и.т.д.).
2) Определение функциональной зависимости параметров математической модели от внешних факторов (изменения температуры, магнитных полей, и т.д.). В дальнейшем, используя полученные функциональные зависимости, исключаются, например, температурные погрешности чувствительных элементов.
Данный этап необходим для калибровки БИНС среднего и высокого класса точности, чувствительные элементы которых выполнены на прецизионных акселерометрах и датчиках угловой скорости, таких как лазерные и волоконно-оптические. Связанно это с тем, что чувствительность датчиков в подобных системах достаточно велика и влияние сторонних факторов существенно изменяют их показания. К примеру, доля температурных погрешностей БИНС высокого класса точности на волоконно-оптических гироскопах в суммарном дрейфе зачастую достигает 40% и выше [6]. Данная стадия калибровки не применяется для БИНС среднего и высокого класса точности в том случае, если достигнуть требуемого уровня точности возможно конструктивными способами, например, термостатированием и экранированием от внешних возмущений ( магнитных и электрических полей).
3) При наличии дополнительных источников навигационной информации (спутниковые навигационные системы, барометрические высотомеры и радиовысотомеры, магнитометры, и т.д.) возможна калибровка инерциальной навигационной системы в процессе ее работы.
Актуальность проблемы калибровки инерциальных навигационных систем и их чувствительных элементов подтверждается большим количеством работ на данную тему.
В работе [7] приведена методика калибровки чувствительных элементов БИНС «Чибис-М». Калибровка датчиков угловой скорости проводится в 2 стадии. На первой определяется коэффициент передачи и смещение нуля по алгоритму:
датчик помещается на поворотный стол и 30 секунд снимаются выходные данные с датчика в состоянии покоя с целью вычисления смещения нуля;
усредняя показания датчика в состоянии покоя, определяют смещение
нуля;
затем, поворотному столу задаётся угол поворота, равный 9°, при этом продолжается непрерывное снятие показаний с датчика;
интегрируя полученные данные угловой скорости, находят выходное значение
угла;
отношением выходного значения датчика к задаваемому известному значению вычисляют передаточный коэффициент;
На второй стадии определяется температурная погрешность датчика угловой скорости:
датчик угловой скорости помещается в температурную камеру, где его охлаждают до отрицательных температур;
затем датчик помещается на неподвижную опору при комнатной температуре, после чего снимаются выходные показания до тех пор, пока его температура не стабилизируется;
после этого полученные данные обрабатываются с помощью фильтра Калмана;
по полученным данным строится аппроксимирующая кривая и определяется среднеквадратичная ошибка нуля.
Калибровка проводится в трёх испытаниях, после чего определятся среднее значение результата.
Данный метод калибровки позволяет достаточно точно вычислить передаточные коэффициенты датчика по измерительным осям, определить температурные погрешности и смещение нуля БИНС низкого и среднего класса точности.
В работе [8] приведен алгоритм калибровки инерциального измерительного модуля МРШ000:
измерительный модуль помещают в температурную камеру, после чего проводят обработку результатов в 6 положениях инерциального модуля, при этом задавая 20 различных значений температур с шагом в 5 градусов в диапазоне от - 40 до +50 градусов;
проводят расчёт 9 коэффициентов передачи и 3 значений смещений нуля для каждого значения задаваемых температур построение зависимостей изменения калибровочных коэффициентов от температур;
получают аппроксимирую функцию, с помощью которой определяют зависимость смещения нуля от температуры.
Данная модель обеспечивает калибровку температурных погрешностей в диапазоне от - 40 до +50 градусов.
В работе [9] рассматривается модификация ранее рассмотренных методов, позволяющая в одном эксперименте проводить калибровку триады датчиков угловой скорости, при этом предусматривающая оценку температурных погрешностей. Представленный метод реализуется с помощью трёхосного поворотного стола, входящего в состав температурной камеры и подходит для калибровки БИНС высокого класса точности.
Рассматриваемый метод калибровки предполагает следующий алгоритм действий:
проводят калибровку акселерометров, для чего БИНС помещается на платформу поворотного стола, входящего в состав температурной камеры, затем задаются 6 последовательных поворотов на ±180° относительно каждой измерительной оси;
проводят калибровку датчиков угловой скорости, поворачивая измерительный стол вокруг всех трёх измерительных осей БИНС, одновременно задавая различные температурные режимы;
по найденным параметрам вычисляют передаточные коэффициенты датчика угловой скорости, передаточные коэффициенты акселерометра, а также коэффициенты температурных погрешностей.
Недостатками данного метода является необходимость специализированного оборудования для проведения калибровки, а также усложнение модели калибровки. Кроме того, при проведении калибровки БИНС высокого класса точности к оборудованию предъявляются жесткие требования к угловой выставке.
В работе [10] рассмотрен способ калибровки БИНС среднего и высокого класса точности. Для гироскопов измеряемой эталонной величиной принимается угловая скорость вращения Земли, а для акселерометров - величина ускорения силы тяжести. Алгоритм калибровки предполагает вычисление проекций эталонных величин на оси чувствительности датчиков и их сравнение с измеряемыми значениями.
Достоинствами данного метода является то, что не требуется специализированное оборудование и, как следствие, нет необходимости жестко привязывать оси поворотной установки к осям калибруемого БИНС. Также, в каждом положении блока инерциальных чувствительных элементов возможно достаточно точно калибровать как триаду акселерометров, так и триаду гироскопов.
В работе [11] проведена калибровка инерциального измерительного модуля АОК 16354, выполненного на микромеханических датчиках угловой скорости и микромеханических акселерометрах. В данном случае калибровка осуществляется с использованием одноосного поворотного стола УПГ-56. Моделирование и эксперимент проводятся при объеме выборки равной 4100. АОК 16354 закрепляют на поворотном столе, после чего проводят калибровку акселерометров в поле силы тяжести, для чего модулю задают 6 положений путём поворота стола относительного каждой измерительной оси на 180°. Калибровку датчиков угловой скорости проводят с помощью поворота стола, задавая инерциальному модулю известную угловую скорость по трём измерительным осям. Особенность метода заключается, в том, что эксперимент проводят при большом числе выборок.
Используя данный метод калибровки для микромеханических датчиков угловой скорости и акселерометров можно достаточно точно вычислить калибровочные коэффициенты.
К недостаткам можно отнести то, что при использовании одноосного поворотного стола и задании с помощью него вращения БИНС на заданный угол, датчик необходимо вручную ориентировать по каждой измерительной оси, что может сказаться на точности и длительности проведения калибровки.
Проведенный обзор показывает, что хотя задача калибровки БИНС решается давно, она не утратила своей актуальности. Также отметим, что особенно актуальной является задача калибровки БИНС в процессе работы, чему также посвящено значительное число работ.
Список литературы
1. Устюгов М.Н., Щипицына М.А. Калибровка акселерометра бесплатформенной инерциальной навигационной системы // Вестник ЮУрГУ. 2006. № 14. С. 140-143.
2. Атаманов Н.А., Троицкий В.А., Гусев И.В. Калибровка блока чувствительных элементов БИНС // XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: Сборник материалов, 2005. С. 162-164.
3. Коркишко Ю.Н. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы на основе ВОГ / Ю.Н. Коркишко [и др.] // Гироскопия и навигация. 2014. № 1 (84). С. 14-25.
4. Козлов А.В., Сазонов И.Ю. Калибровка инерциальных навигационных систем на грубых стендах с учетом разнесения чувствительных масс ньютономеров // Научный вестник МГТУ ГА. 2013. №189. С. 27-35.
5. Федоров А.Е. Калибровка блока инерциальных чувствительных элементов и моделирование автономного режима функционирования инерциальной системы на базе монолитного трехкомпонентного лазерного гироскопа // Новости навигации. 2010. № 3. С. 20-25.
6. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем; под ред. В.Г. Пешехонова. СПб: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2001. 150 с.
7. Иванов Д.С., Ткачёв С.С. Калибровка датчиков для определения ориентации малого космического аппарата // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. 2010. № 28. С. 130.
8. Зыкин С.И., Ивахно Н.В. Результаты эксперементальных исследований и алгоритм калибровки датчика MPU6000 // Известия Тульского государственного университета. 2018. Вып. 4. С. 366-371.
9. Тарыгин И.Е., Козлов А.В. Анализ наблюдаемости в задаче калибровки температурных моделей погрешностей инерциальных датчиков авиационной навигационной системы // Труды МАИ. 2015. № 89. С. 52-82.
10. Матвеев В.В. Исследование погрешностей бесплатформенной инерциаль-ной навигационной системы высокодинамичного летательного аппарата // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 12. 2012. Ч. 1. С. 165 - 173.
11. Шаврин В.В., Конаков А.С., Тисленко В.И. Калибровка микроэлектромеханических датчиков ускорений и угловых скоростей в бесплатформеннных инерциаль-ных навигационных системах // Доклады ТУСУРа. 2012. №1 (25). Ч. 2. С. 265-269.
12. Прохорцов А.В., Балабаев О.С. Сравнительный анализ методов начальной выставки БИНС на подвижном объекте // Известия Тульского госудаственного университета. Технические науки. 2020. Вып.11. С. 389-395.
13. Прохорцов А.В. Способ коррекции инерциальной навигационной системы. Патент №2345326 РФ МПК G01 С 21/06, Опубл. 27.01.2009, Бюл. №3. Приоритет 19.11.2007.
Богданов Максим Борисович, канд. техн. наук, доцент, hmh75@ramhler.rH, Россия, Тула, Тульский Государственный Университет,
Прохорцов Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, proxav@ramhler.rH, Россия, Тула, Тульский Государственный Университет,
Смирнов Владимир Александрович, канд. техн. наук, доцент, veld071@ramhler.ru, Россия, Тула, Тульский Государственный Университет
ANALYTICAL REVIEW OF EXISTING MODELS AND METHODS OF SINS CALIBRATION
M.B. Bogdanov, A.V. Prokhotsov, V.A. Smirnov
The review and analysis of existing models and methods of calihration of strapdown inertial navigation systems is presented.
Key words: calihration methods, strapdown inertial navigation system, accelerome-ter, angular velocity sensor.
Bogdanov Maxim Borisovich, candidate of technical sciences, docent, hmh75@ramhler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Prokhortsov Alexey Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, head of department, proxav@ramhler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
183
Smirnov Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, veld071@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004.02:622.22 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-5-184-197
ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ МОДЕЛИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГРАНИЦ
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И РУДНЫХ ОБЛАСТЕЙ МИНЕРАЛИЗАЦИИ
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
С.Н. Гончаренко
В работе произведена интерпретация минерализованных интервалов для последующего подсчета запасов месторождения. Получены зависимости содержания полезного компонента от величины рудных интервалов. Разработана индикаторная модель, позволяющая произвести оконтуривание границ геологических и рудных областей, а также определение геометрических параметров материнской ячейки по размерам, соответствующим оценке содержаний. Интерпретированные геологические данные скважин использовались для создания каркасов основных литологических единиц.
Ключевые слова: индикаторная модель; подсчет запасов; содержание полезного компонента; внутрискважинные вариограммы; рудные интервалы
В рамках исследования проведена экспертиза методологии и качества данных, вошедших в базу геолого-разведочных работ по месторождению. Произведено сравнение расположения устьев скважин относительно цифровых значений базы данных, а также заверка скважин на местности, что позволило сделать вывод о том, что большинство скважин было пробурено согласно их проектным положениям и в целом буровая сеть получилась достаточно выдержанной и реализована в соответствии с необходимыми отраслевыми стандартами [1].
В работе были использованы представительные данные геологического опробования интервалов минерализации, а также определены участки месторождения для оценки изменчивости технологических свойств объекта. Данные, использованные при реализации программы отбора проб, включали в себя местоположение устьев, данные съемок, результаты анализов, литологию и прочие литологические коды, каркасы, и блочную модель месторождения. Была использована геологическая база данных и трехмерная блочная модель при определении литологических интервалов для отбора проб [2,3].
В ходе проведения работ были пробурены разноориентированные инженерно-геологические скважины с отбором керна и его последующим ориентированием для изучения всех бортов карьера и уточнения данных по структуре трещин в невыветре-лых метаосадочных породах. Поскольку коры выветривания могут занимать 50% - 70% пород, слагающих верхние борта карьера, для заверки использованных в настоящем исследовании параметров необходимо проведение дальнейших тщательных инженерно-геологических исследований, в том числе изучение и документирование физико-механических свойств грунтов, испытания грунтов и пород в массиве, а также лабораторных исследований в достаточном объеме, в том числе трехосные испытания для определения параметров эффективного давления.
184
