CC BY
41
необходимо и целесообразно), мы не изменим саму булеву функцию, но получим в результате минимизации ДНФ более короткое ее представление. Это возможно, когда функция содержит нечетное количество слагаемых. А это значит, что понадобится меньше логических элементов для практической реализации данной функции, что, в свою очередь, повысит надежность оборудования и уменьшит стоимость изделия.
Преимуществом данного метода является то, что он позволяет сразу получить минимизированную функцию, не прибегая, как в других методах, к использованию свойство идемпотентности дизъюнкции или к введению заведомо ложной (не характерной для данного алгоритма) комбинации состояний (метод Карно).
Но как определить, сколько будет наборов переменных в конечной сумме?
Количество слагаемых ДНФ в минимизированной функции определяется логикой всех возможных переборов состояний, отвечающих за реализацию данной логической функции.
Список использованной литературы:
1. А.С. Грачев. Минимизация логических функций с помощью графических преобразований. Научный электронный журнал «Современные проблемы лингвистики и методики преподавания русского языка в ВУЗе и школе»\ Отв. ред. Григоренко О.В. - Воронеж: - 2022.- № 36 (май).- С.895-898.- URL: http://newjournal.ru»
2. Филиппов В.М., Манохина Т.В., Евдокимов А.А., Заяц Д.С. Минимизация функций алгебры логики методом ненаправленного графа // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2016. - № 8-4. - С. 509-511.
References
1. A.S. Grachev. Minimization of logical functions using graphical transformations. Scientific electronic journal "Modern problems of linguistics and methods of teaching the Russian language in higher education and school"\ Ed. Grigorenko O.V. - Voronezh: - 2022.- No. 36 (May).- P.895-898.- URL: http://newjournal.ru "
2. Filippov V.M., Manokhina T.V., Evdokimov A.A., Zayats D.S. Minimization of logic algebra functions by the method of an undirected graph // International Journal of Applied and Fundamental Research. - 2016. - No. 84. - pp. 509-511.
© Грачев А.С., 2022
УДК 681.586.2
Ключников А.И.
соискатель ученой степени кандидата технических наук
АНАЛИЗ ДАТЧИКОВ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В БИНС, ВХОДЯЩЕЙ В СОСТАВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАКЕТЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ЛЕГКОГО КЛАССА
Аннотация
В работе анализируется состояние вопроса исследований современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) и их применение в составе ракет космического назначения (РКН) легкого класса. Приводятся требования, предъявляемые к датчикам первичной информации (ДПИ), применяемых в БИНС РКН легкого класса. Указаны пути дальнейшего совершенствования БИНС для систем управления РКН легкого класса.
Ключевые слова
Ракета космического назначения, бесплатформенная инерциальная навигационная система,
датчик первичной информации.
Kluchnikov A.I.
applicant for the degree of candidate of technical sciences
ANALYSIS OF SENSORS OF PRIMARY INFORMATION USED IN A STRAPDOWN INERTIAL NAVIGATION SYSTEM
PART OF THE CONTROL SYSTEM OF A LIGHT SPACE ROCKET
Annotation
The paper analyzes the state of the issue of research on modern strapdown inertial navigation systems and their use as part of space rockets of a light class. The requirements for primary information sensors used in strapdown inertial navigation systems of space rockets light class are given. The ways of further improvement of strapdown inertial navigation systems for light-class space rockets control systems are indicated.
Keywords
Space rockets, modern strapdown inertial navigation systems, primary information sensors.
Эффективность выполнения стоящих перед Вооруженными силами задач по укреплению обороноспособности и безопасности государства в значительной мере зависит от возможности использования космического пространства в военных целях. Для реализации возможностей этих задач несомненно важна роль средств выведения космических аппаратов КА военного назначения. К настоящему времени в нашей стране создан целый ряд ракет-носителей (РН), отличающихся высокими качественными показателями и обеспечивающими стране приоритет в решении актуальных задач повышения обороноспособности, практического освоения космического пространства и его исследования [1]. В тоже время необходимо отметить необходимость повышения эффективности применения РКН в части достижения высоких показателей по надежности, точности выведения КА и экономичности. Одной из тенденций к изменению принципов построения систем управления (СУ) РКН заключается в создании, так называемой, «лифтированной» СУ, часть задач которой выполняется на этапах предстартовой подготовки и полета РН, а часть задач на этапе полета разгонного блока (РБ). Такая единая система управления позволяет снизить экономические затраты за счет снижения массы «сухой» РН, обеспечить повышение массы полезной нагрузки. В тоже время, к такой СУ предъявляются более различные требования по обеспечению заданной точности выведения КА, как на активном участке полета, так и на участке выведения на целевую орбиту КА. Особенностью реализации такой СУ является необходимость перехода от платформенных к БИНС.
Она обусловлена расширением функциональных требований, предъявляемых к системе управления РКН, в частности, по длительности полета и влиянию факторов космического пространства, а также устранению ограничений на угловые развороты РКН. Актуальность статьи обусловлена необходимостью освещения современного состояния БИНС летательных аппаратов и анализа современных ДПИ, входящих в её состав.
На современном этапе развития ракетно-космической техники (РКТ), по экономическим соображениям, все более важную роль приобретает наличие недорогого и надежного РН легкого класса. К таким РН можно отнести «Союз-2.1В», «Рокот» и «Ангара-1.2».
Для обеспечения высоких качественных показателей средств выведения необходимо применять новейшие достижения в области систем управления, в частности - цифровых технологий. В настоящее время развитие цифровых систем управления ракет-носителей обеспечивает реализацию сложных и
эффективных алгоритмов управления: навигации, наведения, стабилизации движения, управления режимами двигательной установки и др.
Одним из последних достижений в области построения цифровых систем управления ракет-носителей является создание модернизированной PH «Союз-2». При ее создании осуществлен переход на новую электронику в гиростабилизированной платформе на базе больших интегральных схем отечественного производства и на новую БЦВМ. Осуществлена унификация узлов и элементов конструкции бортовой аппаратуры. Текущее программирование движения PH (т.н. «терминальное» управление) позволяет добиться снижения энергетических затрат и повысить точность выведения космических аппаратов [2].
Выполнение этих комплексные мер, по отношению к предыдущей конструкции, позволило в целом существенно улучшить массогабаритные параметры СУ, снизить ее электропотребление. Однако в связи с высокой стоимостью и сравнительно большими массогабаритными показателями непосредственно гиростабилизированной платформы, погрешностями стабилизации гироплатформы, ограничений на углы прокачки гироплатформы, решение о применении навигационной системы (НС) платформенного типа с практической точки зрения является не оправданным в качестве единой как для РН, так и РБ.
Существенно снизить массогабаритные параметры, энергопотребление СУ, сократить время начальной выставки, повысить надежность и функциональные возможности системы целесообразно при использовании БИНС [3]. Применение БИНС позволяет за счет освободившегося объема и массы разместить дополнительную полезную нагрузку, например, большее количество запасов рабочего тела на космическом аппарате (КА), что позволяет в свою очередь увеличить срок его активного существования на орбите. Кроме того, преимуществом БИНС является возможность пересчета программы наведения РН на активном участке полета посредством смены опорных корректируемых базисов.
Основными причинами применения на ракетах-носителях инерциальных систем платформенного типа были обусловлены аналоговым принципом построения навигационных систем, а также методами наведения РН. Результаты, достигнутые в последние годы в области создания новых интеллектуальных датчиков и бортовых вычислительных систем, построенных на базе специализированных вычислителей, методов обработки измерительной информации, позволяют сделать вывод о преимуществах использования БИНС в составе СУ РКН.
Анализ современного состояния развития высокоточного приборостроения показывает, что предельная точность измерения современными акселерометрами находится в диапазоне 10-4 - 10-7^. Из этого можно сделать вывод об отсутствии в настоящее время технологий, обеспечивающих заданные требования для построения БИНС с шестью пространственно распределенных акселерометров. БИНС с тремя одноосными гиростабилизаторами не нашли широкого распространения в связи с: проблемами начальной выставки на подвижном основании, высокими массовогабаритными характеристиками и ростом погрешностей измерения навигационных параметров при маневрировании подвижного объекта. Исходя из этого можно сделать вывод о целесообразности применения в составе «лифтированной» СУ РКН БИНС на основе трех жестко закрепленных на объекте ортогонально расположенных акселерометров и датчиков угловых скоростей [4].
I. Сравнительный анализ традиционных и перспективных акселерометров.
К макромеханическим акселерометрам, чувствительные элементы (ЧЭ) которых изготавливаются по традиционным технологиям, относятся маятниковые компенсационные акселерометры для измерения линейных ускорений типа ДА-11, АК-5-15, АК-5-50, ДЛУК-3 (рис. 1), разработанные в середине 70-х годов прошлого века, которые до настоящего времени находят широкое применение. Акселерометры ДА-11 и серии АК относятся к навигационному классу и применяются, в частности, в
управляемых гиростабилизаторах для авиационных носителей. К этой группе относятся также струнные и поплавковые акселерометры.
Рисунок 1 - Общий вид маятниковых компенсационных
К интегральным акселерометрам относятся акселерометры, ЧЭ которых изготавливаются по технологиям МЭМС (применяются также термины - технологии микроэлектроники, микромеханики, планарные, кремниевые), а сервисная электроника, включая тонкопленочную, изготовляется, как правило, в виде отдельных конструктивных узлов.
По праву приоритета здесь нужно отметить маятниковые акселерометры типа Q-Flex с магнитоэлектрическим датчиком силы в цепи обратной связи, разработанные фирмой Sundstrand Data Control (США) в начале 80-х годов, и разработанные в середине 90-х годов прошлого века фирмой LITEF GmbH (Германия) маятниковые акселерометры В-290 с электростатическим датчиком силы в цепи обратной связи.
Раменское приборостроительное конструкторское бюро (РПКБ) выпускает несколько моделей интегральных акселерометров. На рисунке (рис. 2) показан общий вид цифрового акселерометра АЦ-1 прямого преобразования, который состоит из кремниевого ЧЭ и дискретной электроники, выполненных в общем корпусе в виде отдельных конструктивных узлов. Выходной сигнал - частотный, с алгоритмической компенсацией погрешностей.
Рисунок 2 - Общий вид акселерометра АЦ-1
Акселерометр АЦ-1 имеет следующие характеристики и параметры: диапазон измерений 40g; крутизна выходной характеристики 1,5 кГц^; погрешность при алгоритмической компенсации (не более) 3%; диапазон рабочих температур от -60 до +80°С; напряжение питания 5 В; масса 50 г.
Общий вид акселерометров серии А компенсационного преобразования показан на рисунке (рис. 3). Чувствительные элементы этих акселерометров представляют собой кремниевые маятники, изготовленные методами объемной обработки. Так на базе маятника диаметром 18 мм и толщиной 0,38 мм разработано несколько модификаций акселерометров моделей А-12, 15, 16 и 17, которые, аналогично акселерометрам Ц-Нех, выполнены по гибридной (не планарной) технологии.
Рисунок 3 - Общий вид акселерометра серии А (А-15, А-16, А-17)
На маятник наплавляют металлические пластины (обкладки) конденсаторов емкостного преобразователя перемещений и методом прецизионной микросборки устанавливают обмотки (катушки) преобразователя (датчика) силы. Два других электрода (пластины, обкладки) емкостного преобразователя перемещений напылены на элементах корпуса. Упругие элементы подвеса имеют размеры 1,3x0,12x0,008 мм. Зазор между маятником (подвижный электрод) и электродами на корпусе составляет 0,021 мм. Для увеличения маятниковости установлен груз. Акселерометры содержат электронику, выполненную по гибриднопленочной технологии. Основные характеристики акселерометров приведены в табл. 6.
Акселерометры А-17 используются в термостатированных изделиях, и их характеристики обеспечиваются при температуре +75±2°С. В акселерометры А-16, А-15 встроен температурный датчик, и их характеристики обеспечиваются алгоритмической компенсацией.
Акселерометры серии «А» предназначены для измерения линейного ускорения в инерциальных навигационных системах, курсовертикалях и системах управления подвижными объектами.
ФГУП НИИ физических измерений (г. Пенза) имеет богатый опыт разработки и производства акселерометров прямого и компенсационного преобразования. В настоящее время на базе кремниевой технологии разработан универсальный ряд акселерометров серии АЛЕ с электростатическими преобразователями перемещения и силы для измерения ускорений в пределах от ±0,18 до ±350 м/с2.
Общий вид акселерометров серии «АЛЕ» показан на рисунке (рис. 4).
Акселерометры серии «АЛЕ» предназначены, главным образом, для решения задач ракетно-космической техники, которые можно отнести к классу навигационных. Характеристики некоторых моделей этой серии делают возможным их применение в БИНС беспилотных ЛА.
В середине 1990-х годов в Арзамасском НПП «Темп-Авиа» были созданы первые образцы интегральных маятниковых акселерометров с емкостным датчиком перемещений и магнитоэлектрическим датчиком силы в цепи (контуре) обратной связи, совершенствование которых продолжается до настоящего времени.
Акселерометры выпускаются в сериях АТ (измерение линейных ускорений) и АС (измерение угловых ускорений), имеют высокую временную стабильность параметров, практически нечувствительны к поперечным ускорениям, встроенный усилитель обеспечивает нормированный и
Рисунок 4 - Общий вид акселерометров серии «АЛЕ» (АЛЕ 048, АЛЕ 049)
усиленный по мощности сигнал. На рисунке (рис. 5) показан общий вид акселерометров АТ-1104, АТ-1104-50 и АТ-1105.
Рисунок 5 - Общий вид акселерометров АТ-1104, АТ-1104-50 и АТ-1105
Акселерометр AT-1104 относится к навигационному классу и может быть использован в системах управления различных подвижных объектов, в том числе - в инерциальных навигационных системах. Следует также отметить, что приборы типа AT-1104 и АТ-1112 имеют диапазон измерений от 0,5 до 50g, что делает возможным их применение на высокодинамичных объектах.
Идеология построения акселерометров типа Q-Flex применена также в акселерометрах, разработанных в МГТУ им. Н. Э. Баумана и НПО «Корпус» (г. Саратов).
Микромеханические акселерометры (ММА) имеют ЧЭ, включающий инерционную массу на упругом подвесе, преобразователь ее перемещений и обслуживающую (сервисную) электронику, выполненные на одном чипе (кристалле) технологиями МЭМС. Разработкой и серийным производством ММА занимаются фирмы: Analog Devices, Motorola, Hitachi, Hilton Head и др. Наиболее широким спектром моделей и характеристик обладают ММА серии ADXL (фирма Analog Devices). Акселерометры этой серии являются осевыми и выпускаются в вариантах прямого и компенсационного преобразований.
ММА ADXL150 и ADXL250 относятся к приборам третьего поколения и обладают абсолютной погрешностью 0,01 g. По сравнению с другими моделями у них уменьшенный дрейф нуля, не
превышающий 0,4 g в диапазоне температур (-50 4 +100) °С. Акселерометры выдерживают ускорение 2000 g длительностью 0,5 мс без питания и ускорение 500 g длительностью 0,5 мс с питанием. ММА этой серии пригодны для применения в системах ориентации и навигации беспилотных летательных аппаратов [4].
II. Сравнительный анализ традиционных и перспективных датчиков угловой скорости.
Проанализируем современный уровень развития ДУС с точки зрения возможности их использования в перспективных навигационных системах (НС).
Сверхвысокие точности (10-6-5-10-4 град/ч) обеспечиваются гироскопами с механическим носителем кинетического момента. К данному виду гироскопов относятся: поплавковый гироскоп (ПГ), гироскоп с магниторезонансным подвесом ротора и гироскоп с электростатическим подвесом ротора (ЭСГ).
Поплавковый гироскоп (рис. 6) до настоящего времени остается наиболее распространенным и широко используемым в современных навигационных системах. Его изготовление основано на хорошо отработанных технологиях и мощной производственной базе.
Рисунок 6 - Поплавковый гироскоп ГПА-200
Анализируя проблемы применения ПГ, отметим, что хотя современный уровень точного приборостроения не позволяет существенно увеличить точность ПГ даже при больших финансовых затратах, их разработка продолжается и в настоящее время. Приоритетное использование ПГ в системах навигации и ориентации данного вида подвижных объектах объясняется тем, что уникальные объекты ракетно-космической техники предъявляют особо жесткие требования к надежности и точности гироскопических приборов в условиях длительной работы в чисто инерциальном режиме. В то же время большие размеры и мощное энергетическое обеспечение уникальных объектов не накладывают критических ограничений на массогабаритные характеристики, энергопотребление приборов и их стоимость. Поэтому недостатки, присущие ПГ, на данных объектах нивелируются, а достоинства проявляются наиболее ярко.
Гироскоп с магниторезонансным подвесом ротора не нашел широкого практического применения, поскольку оказался менее точным по сравнению с ЭСГ. В настоящее время этот гироскоп иногда находит применение в БИНС среднего класса точности, что определяется, прежде всего, его низкой стоимостью.
Электростатический гироскоп (рис. 7) находит все большее практическое использование в НС различного назначения. К перспективным областям его применения относятся системы навигации космических аппаратов, гиротеодолиты с улучшенными эксплуатационными характеристиками, БИНС летательных аппаратов.
г
Л™
"■■4 . /4?
Рисунок 7 - Электростатический гироскоп
Рассмотрим некоторые преимущества использования ЭСГ в навигационных системах ПО. Так, чрезвычайно эффективным является применение ЭСГ в системах навигации космических аппаратов, поскольку в условиях невесомости оказывается возможным практически полностью исключить уводящие моменты, действующие на ротор ЭСГ. Кроме того, после разгона ротора ЭСГ работает на «выбеге» от 15000 до 150000 суток, что минимизирует электропотребление до единиц ватт. Другим важным преимуществом применения ЭСГ в системах навигации ПО является его устойчивость к микроускорениям и сокращенное время готовности к работе по сравнению с ПГ.
Существенным препятствием к применению ЭСГ в БИНС в настоящее время является все еще высокий уровень возмущающих моментов и нерешенная проблема съема информации об угловой ориентации ротора относительно камеры в диапазоне углов ±180°. Кроме того, нерешенными остаются такие важные проблемы, препятствующие широкому применению ЭСГ в ИПС, как отсутствие:
- хорошо отработанной технологии изготовления сплошного ротора;
- надежной системы подвеса ротора, обеспечивающей левитацию ротора в электростатическом
поле;
- системы съема информации об угловом положении ротора относительно корпуса гироскопа, обеспечивающей требуемую точность в неограниченном диапазоне изменения углов;
- методов проверок и калибровок прибора.
Остается нерешенной и задача идентификации параметров разработанных моделей погрешностей.
В итоге отметим, что в настоящее время ЭСГ нашел практическое применение в корабельных ИНС платформенного типа в США, Англии и России.
Высокие и средние точности (5-10-4-10-1 град/ч) обеспечивают: динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ), лазерный гироскоп, волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) и волновой твердотельный гироскоп (ВТГ). Рассмотрим перспективы применения каждого из них в НС.
Динамически настраиваемые гироскопы (рис. 8) обладают наибольшей преемственностью по отношению к классическим механическим гироскопам и, как правило, применяются в качестве чувствительных элементов ИНС платформенного типа.
1
Рисунок 8 - Динамически настраиваемый гироскоп ГВК-16
Несомненными преимуществами использования ДНГ в БИНС являются: малое время готовности, высокая устойчивость к механическим воздействиям, малое потребление мощности и малые массогабаритные характеристики. Отмеченные преимущества обусловили успешное развитие и внедрение ДНГ в качестве серийного прибора среднего класса точности для ПО различного назначения. Однако эксплуатация ДНГ в настоящее время существенно затруднена необходимостью использования дорогостоящей и сложной аппаратуры управления и регулирования, а также большими затратами на калибровку и обслуживание.
Как с точки зрении диапазона измерений и точности, так и с учетом устойчивости к значительным перегрузкам, наиболее целесообразным является применение ЛГ (рис. 9), которые за последние 40 лет прошли все этапы от лабораторных макетов до серийно выпускаемых приборов. В настоящее время они являются основными ЧЭ создаваемых и перспективных ИНС.
Рисунок 9 - Чувствительный элемент трехстепенного ЛГ
После калибровки ЛГ и составления модели дрейфа годовая стабильность нуля для серийно выпускаемых гироскопов оценивается величиной менее 0,004 град/ч.
Специфической является погрешность ЛГ, порождаемая внешним магнитным полем. Ее природа обусловлена эффектом Фарадея, который проявляется в оптико-физических схемах ЛГ, где поляризация встречных волн не является строго линейной. Наименьшей чувствительностью к внешним магнитным полям обладают зеркальные ЛГ с планарным ходом лучей в резонаторе. Для них чувствительность к магнитным полям оценивается величиной до 0,001 град/ч при магнитном экранировании. Существенно хуже эти показатели у четырехчастотных и призменных ЛГ.
Следует также отметить влияние нестабильности и асимметрии масштабного коэффициента ЛГ на точность ИНС. Здесь наибольшее влияние оказывают дисперсия активной среды и затягивание частоты к
центру атомной линии. Относительная нестабильность масштабного коэффициента в современных ЛГ составляет несколько единиц 10-6. Кроме того, стремление к миниатюризации ЛГ неизбежно сопровождается снижением точностных характеристик.
Проведенный выше анализ погрешностей ЛГ и причин их возникновения показывает, что на дрейф ЛГ оказывают влияние большое число различных и, вместе с тем, не связанных между собой факторов. Данное обстоятельство существенно усложняет построение модели дрейфа ЛГ и приводит к появлению целого ряда моделей, адекватно отражающих дрейф конкретных типов ЛГ.
Отмеченные недостатки ЛГ обусловили появление нового гироскопа — волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) (рис. 10).
Рисунок 10 - Волоконно-оптический гироскоп SRS-200
Волоконно-оптический гироскоп является высокочувствительным прибором, позволяющим измерять крайне малые угловые движения. В этом отношении он имеет значительные преимущества перед ЛГ сравнимых размеров. Так, например, ЛГ с оптическим путем длиной 120 мм имеет масштабный коэффициент 4 угл. с на одну интерференционную полосу. В то же время, близкий по габаритам ВОГ обеспечивает разрешение 0,025 угл. с. Работы по созданию ВОГ велись более десяти лет и продолжаются в настоящее время многими известными зарубежными фирмами, среди которых, в первую очередь, следует назвать Honeywell, Litton, Rockwell International, Northrop, а также Лабораторию им. Ч. Дрейпера. В настоящее время появилось несколько разных типов ВОГ, которые в зависимости от технической завершенности либо уже используются, либо находятся в завершающей стадии разработок:
- интерферометрический ВОГ (ИВОГ) с разомкнутым контуром — наименее точный прибор, пригодный, главным образом, в качестве датчика угловой скорости в системах пространственной ориентации;
- ИВОГ с замкнутым контуром — более точный и более сложный прибор, который может применяться в ИНС;
резонансный ВОГ — наименее отработанный технологически, но имеющий наибольшую потенциальную точность.
ВОГ способен в ближайшее время создать серьезную конкуренцию ЛГ с точки зрения возможности их использования в БИНС. Это объясняется следующими его достоинствами: малые габариты и масса; малое потребление энергии; большой динамический диапазон измеряемых угловых скоростей; отсутствие вращающихся механических элементов, что повышает надежность и удешевляет производство; практически мгновенная готовность к работе; нечувствительность к большим линейным ускорениям и, как следствие, работоспособность в условиях высоких механических перегрузок; высокая помехоустойчивость, нечувствительность к мощным внешним электромагнитным воздействиям благодаря диэлектрической природе волокна; отсутствие гальванической связи между чувствительным элементам и регистрирующим устройством; возможность передачи по световоду оптических сигналов малой мощности; отсутствие эффекта «захвата» частот в области нулевого значения угловой скорости, обусловленного синхронизацией встречнобегущих волн; ВОГ измеряет скорость вращения (а не ее приращение) и «чувствует» ее реверс; применяемый в ВОГ полупроводниковый источник, не требующий большой мощности возбуждения, способен обеспечить продолжительный срок службы данного гироскопа при высокой надежности; электроника ВОГ работает в области умеренных частот (сотни герц)
и может быть выполнена по стандартной технологии.
Большим преимуществом ВОГ является ожидаемая низкая стоимость. Это связано с быстрым уменьшением цен на волоконно-оптические компоненты вследствие массового производства средств связи и расширения потребительского рынка полупроводниковых источников светового излучения.
Известные характеристики ВОГ позволяют считать его в настоящее время одним из наиболее дешевых и надежных гироскопов средней точности для навигационных применений. Можно предположить, что ВОГ вытеснит в перспективе ЛГ в диапазоне точностей 10-2 град/ч и ниже.
Рисунок 11 - Волновой твердотельный гироскоп ТВГ-3-1
В последнее время в качестве возможного перспективного ЧЭ БИНС все чаще рассматривается волновой твердотельный гироскоп (ВТГ) (рис. 11), разработкой и исследованием которого занимаются как зарубежные фирмы Delco-Electronics (США), Marconi (Великобритания), Badin-Crouzet (Франция), так и российские (ИПМ РАН, МГТУ, МАИ, НПО автоматики и т. д.).
К достоинствам ВТГ следует отнести малое энергопотребление и высокую стабильность механических характеристик, обусловливающих высокую конкурентоспособность его точностных параметров по отношению к другим измерителям угловой скорости.
К недостаткам, затрудняющим применение ВТГ в БИНС подвижных объектов, относятся: его сложность (функционирование ВТГ обеспечивают несколько электронных систем), меньший по сравнению с оптическими гироскопами диапазон измерений, а самое главное, чувствительность к перекрестным перегрузкам, зависящая от материала изготовления резонатора.
Тем не менее, по данным печати, масштабы разработок ВТГ в ближайшие 20-25 лет будут расширяться. Основное внимание будет уделяться снижению стоимости производства ВТГ, уменьшению габаритных размеров, повышению добротности материала резонатора и упрощению схемы управления и съема информации (например, на базе использования оптических методов).
Ожидаемый успех этих разработок может вполне обеспечить приоритетное использование ВТГ (создание которых в настоящее время находится на стадии изготовления опытных образцов) в БИНС самого широкого назначения.
Рисунок 12 - Микромеханический гироскоп
Область низких точностей (более 10-1 град/ч) обеспечивают мик-ромеханические гироскопы (ММГ), активную работу над которыми с начала 80-х годов ведут такие известные зарубежные фирмы как Лаборатория
им. Ч. Дрейпера, Systron Donner, British Aerospace System & Equipment, Analog Devices, Murata и ряд других.
В России работы по созданию микромеханических гироскопов ведут ряд научных центров. В АО «Вектор» проводятся исследования по созданию ДУС на основе монокристаллического кремния с размерами чувствительного элемента 3.75x3.75мм, также существенных результатов достигли ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», ЗАО «Гирооптика».
ММГ представляют собой одноосные гироскопы вибрационного типа, сконструированные в виде электронного чипа с кварцевой подложкой площадью в несколько квадратных миллиметров (рис. 12). Принципиальной особенностью этих датчиков является использование при их производстве материалов и технологий современной твердотельной микроэлектроники (фотолитографии, травления, ионной имплантации и т. д.) и высокодобротных неметаллических материалов (монокристаллический кремний, плавленый кварц и т. п.). ММГ имеют встроенные средства управления и обработки информации, малую массу и габариты, низкое энергопотребление, высокую устойчивость к внешним возмущениям. Благодаря использованию современных технологий массового производства микроэлектроники, ожидаемая цена ММГ будет лежать в пределах от нескольких сот до единиц долларов.
В настоящее время ММГ нашли применение в интегрированных НС, использующих показания СНС типа ГЛОНАСС и NAVSTAR. В этих НС долговременная точность обеспечивается точностными характеристиками СНС, погрешность которых не накапливается со временем.
Измерение быстроменяющихся параметров движения и сохранение навигационной информации при потере сигнала от СНС обеспечивается микромеханическими датчиками, которые при работе спутникового канала постоянно калибруются, что обеспечивает требуемую точность непродолжительной автономной навигации.
Краткий анализ состояния современных и перспективных ДПИ показывает, что их технические характеристики по точности измерения навигационных параметров в заданном диапазоне при ограничениях на массогабаритные характеристики, энергопотребление и стоимость находятся в постоянном соперничестве с техническими требованиями систем управления подвижных объектов.
Проведенный анализ показал, что существующие приборы измерения приращения кажущейся скорости и угловой скорости могут быть использованы для построения БИНС перспективной ракеты-носителя легкого класса. В частности, большой интерес представляют интегральные акселерометры компенсационного типа серии «А» и ВОГ ОИУС1000. По сравнению с другими аналогичными по назначению приборами они имеют малые МГХ, высокую надежность, низкое энергопотребление и приемлемую стоимость.
Список использованной литературы:
1. Макаренко С. И. Использование космического пространства в военных целях: современное состояние и перспективы развития средств вооружения / Системы управления, связи и безопасности, №4, 2016 г. -161-213 с.
2. Уманский С. П. Ракеты-носители. Космодромы. М., 2001 г. - 216 с.
3. Соколов С.В., Погорелов В.А. Стохастическая оценка, управление и идентификация в высокоточных навигационных системах - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2016. - 264 с.
4. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / Под общ. ред. В. Я. Распопова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. -280 с.
© Ключников А.И., 2022
