CC BY
92
УДК 621.319.14 Акилин В.И., Галич К.А.
ОАО «Московский институт электромеханики и автоматики», г. Москва
ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», г. Москва
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ВЫЧИСЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ ТОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ
Аннотация. В данном докладе дается краткое описание структуры, принцип действия и функциональные возможности бесплатформенной инерциальной навигационной системы нового поколения, а также описаны её основные блоки. Рассмотрены основные проблемы связанные с достижением качественных показателей системы. В работе описан алгоритма вычисления температурной компенсации инерциальной навигационной системы с целью повышения ее точности и надежности. Также приводится алгоритм определения коэффициентов для осуществления термокомпенсации инерциальной навигационной системы с целью повышения ее точности и надежности. В заключении на основании рассмотренного материала даются основные.
В наши дни одним из перспективных направлений современного навигационного приборостроения является разработка бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), которые обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с инерциальными системами (ИНС) на гиростабилизированной платформе (ГСП):
меньшие размеры, масса и энергоемкость;
существенное упрощение механической части системы и ее конструкции; отсутствие ограничений по углам разворота; сокращение времени начальной выставки; больший диапазон угловых скоростей.
Все вышеперечисленные преимущества достигаются за счет применения современных гироскопов и акселерометров с цифровым выходом, элементной базы высокой степени интеграции, быстродействующих микропроцессоров, внедрения новых технологий в производство чувствительных элементов.
БИНС является инерциальной системой нового поколения, которая дополнительно интегрирует в себе функции приема и обработки информации от спутников с целью повышения точностных показателей режима автономной навигации.
Чувствительные элементы в БИНС подвергаются гораздо более сильным возмущающим воздействиям, чем чувствительные элементы, установленные на гиростабилизированной платформе (ГСП). В БИНС блок чувствительных элементов жестко крепится к конструктивным элементам объекта, и приборы реагируют на все угловые эволюции летательного аппарата. Угловые скорости, измеряемые гироскопами БИНС, могут во много раз превышать угловые скорости, измеряемые гироскопами на ГСП.
Основная сложность, возникающая при создании БИНС, состоит в повышении требований к точности чувствительных элементов: акселерометров и особенно гироскопов, так как информацию о ли-
нейных и угловых перемещениях объекта надо измерять и вычислять с чрезвычайно высокой точностью во всем возможном диапазоне движения объекта.
Одной из основных проблем достижения качественных показателей системы и удовлетворения требованиям точности создания и эксплуатации чувствительных элементов БИНС, является высокая чувствительность акселерометров и лазерных гироскопов к изменениям температуры окружающей среды.
Для уменьшения температурной погрешности чувствительных элементов применяют метод термокомпенсации. Метод термокомпенсации заключается в том, что сигнал акселерометра и лазерного гироскопа корректируется сигналом от датчика температуры. Перед началом проведения термокомпенсации БИНС помещают в термокамеру и охлаждают до температуры, равной -60°С. В процессе проведения термокомпенсации рабочая температура БИНС изменяется от -60°С до +60°С. Рабочая температура повышается за счёт собственного разогрева системы, термокамера используется только для охлаждения БИНС.
Процесс термокомпенсации состоит из ряда операций повторяющихся необходимое число раз на температурном интервале. Во время проведения термокомпенсации температура системы непрерывно повышается, и для получения температурной зависимости коэффициентов, операции проводятся с интервалом 10°С.
Со временем формируется массив данных о вариациях соответствующих коэффициентов относительно температуры чувствительных элементов. На основе этих данных проводится компенсация температурной зависимости чувствительных элементов. В процессе термокомпенсации проводятся следующие операции:
определение смещения нулевых сигналов акселерометров уточнение масштабных коэффициентов акселерометров;
определение неортогональности взаимного расположения осей чувствительности гироскопов. Алгоритм термокомпенсации предназначен для вычисления и компенсации температурных поправок следующих величин:
погрешности масштабов лазерных гироскопов yxx, yyy, yzz;
ошибки установки лазерных гироскопов yyx, yzx, yxy, yzy, yxz, yyz;
поправки на дрейф лазерных гироскопов Аюдрх1, Ашдру1, Ашдрz1.
Алгоритм предназначен для построения аппроксимации термозависимости при помощи сплайнов второго порядка. Сплайн это функция, область определения которой разбита на конечное число отрезков, на каждом из которых сплайн совпадает с некоторым алгебраическим полиномом. Использование сплайнов позволяет получить гладкую зависимость термопоправки от кода температуры. Входными величинами являются экспериментальные значения инструментальных погрешностей fi,..., fn (дрейфов и перекосов осей гироскопов, смещений нулей акселерометров и т.п.) и соответствующие им коды температуры ti,...,tn, где n - количество измерений внутри рабочего интервала кодов температуры [ti,tn]. После того, как все экспериментальные точки ti,...,tn, fi,..., fn сняты, признаку К присваивается значение 0. Измерения подвергаются следующей обработке.
После получения эксперементальных данных проводится сглаживание измерений fi,., fn по трем точкам, что служит для фильтрации случайных погрешностей измерений. При этом концевые точки не изменяются, а внутренние точки преобразуются по формуле:
fk := fk -1 + f + fk+1, k = 2,..., и-1.
Далее формируется набор границ интервалов кодов температуры tv...,tn+l h=t1> 7+1=0 k = 2,...,n
таких, что внутри каждого интервала вида [4-и4] аппроксимация термозависимости выражается формулой
= + к =2,...,и + 1
Внутри каждой зоны термозависимость представляется в виде квадратичной функции кода температуры. На общих границах зон значения функций и их первых производных. Далее определяются коэффициенты парабол ак, bk, ск
a =1 hk (bk -1 hkck j+fk-i
bk =1 hk(ck -ck+i) + f (tk-i,tk), k = ^..^n ап+1 = fn, bn+1 = bn
Приведенная часть алгоритма не зависит от количества измерений (их должно быть более четырех) . Однако для реализации алгоритма термокомпенсации желательно иметь фиксированное число интервалов, внутри которых термозависимость аппроксимируется параболой.
Для получения фиксированного по количеству набора граничных точек рабочий интервал температур разбивается на M = 8 зон. Границы интервалов определяются по формуле
гг ,(m- 1)(tn-h) Tm = 1 M
m = 1,..., M +1
после чего вычисляются значения термопоправок в этих точках по формуле:
Рт=Рк(Тт) = ак+Ък(Тт-‘к) + Ск(Тт-‘к?, ОТ = 1,..., М +1
где номер интервала к определяется из условия tk_x<Tm<tk . Т.е. значения термопоправок Fm в
узловых точках T считаются с помощью сплайна, построенного по экспериментальным точкам. После
этого для определения нового сплайна происходит переприсвоение П := M +1, tk = Tk, fk = Fk k = 1,..., n
Признаку К присваивается значение 1, после чего цикл построения сплайна повторяется уже по набору точек tk = Tk, k = 1,..., n .
В результате определяются коэффициенты ак, bk, ск квадратичных функций, аппроксимирующих термозависимость внутри интервалов.
Линейная аппроксимация термозависимости при t>tn реализуется автоматически. Для построения линейной аппроксимации (вдоль касательной к соответствующему сплайну) при t<tx проводятся следующие вычисления
(О = f\ к (к ~hX = ^^2(^1 — ^2)
В результате формируется набор из интервалов кодов температуры t<tx, к = 2,...,9, />/9
и коэффициентов а,b,^ , необходимых для построения термозависимости на каждом из этих интервалов .
Основные достоинства данного метода компенсации температурной погрешности является максимальная простота и эффективность данного метода. Данная методика термокомпенсации позволила уменьшить влияние температуры на работу блока чувствительных элементов БИНС, а также вычислить и скомпенсировать температурные поправки погрешности масштабов лазерных гироскопов, ошибки установки лазерных гироскопов и поправки на дрейф лазерных гироскопов. Это позволило снизить суммарную погрешность БИНС, улучшить точностные характеристики акселерометров и гироскопов во всем рабочем диапазоне температур.
ЛИТЕРАТУРА
1. Измайлов Е.А., Молчанов А.В., Троицкий В.А. и др. «Эскизный проект на систему БИНС-СП.-М».: МИЭА, 1996.
2. Осипов Ю.С., Троицкий В.А. «Алгоритмы калибровки системы БИНС-СП».-М.: МИЭА, 2002.
3. Горенштейн И.А., Шульман И.А. «Инерциальные навигационные системы». - М.: Машинострое-
ние, 1970.
