CC BY
145
УДК 531.383
МАЛОГАБАРИТНЫЕ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ АЭРО- И МОРСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Д.М. Малютин
Освещены основные задачи, которые были решены при создании малогабаритных гравиметрических комплексов «ГРИН» и «ГРИН-М» для морских измерений. Приведены технические характеристики комплексов, подтвержденные результатами натурных испытаний.
Ключевые слова; гравиметр, гиростабилизатор, гироскоп.
Повышение точности гравиметрических измерений является актуальной задачей. Если в глобальном плане гравитационное поле Земли известно по результатам спутниковых съемок, то крупномасштабные карты отдельных участков практически отсутствуют, хотя потребность в них имеется, например, для решения задач разведочной геофизики с целью поиска углеводородного сырья.
Измерение силы тяжести в движении имеет ряд особенностей. Гравиметры должны регистрировать полезный сигнал на фоне значительных помех. Основным источником ошибок являются наклоны основания и возмущающие ускорения, вызванные качкой и движением центра тяжести подвижного объекта, с борта которого ведутся измерения. Поэтому обеспечение точной стабилизации гравиметра имеет очень важное значение. Возникает также необходимость введения поправки Этвеша, для выработки которой необходимо с высокой точностью знать инерциальные параметры движения носителя.
Кафедрой «Приборы управления» Тульского государственного университета совместно с НИПИокеангеофизики г. Геленджик, ИФЗ РАН г. Москва с 1984 г. велись работы по разработке теории, принципов построения и созданию малогабаритных гравиметрических комплексов для аэро - и морских измерений, обеспечивающих повышение их точности и производительности. За этот период создан малогабаритный гравиметрический комплекс «ГРИН» (рис. 1), состоящий из двухосной индикаторной системы стабилизации, двух гравиметрических датчиков типа ГМНК, электронного блока и персональной ЭВМ [1].
Состав и краткое описание набортного гравиметрического комплекса «ГРИН». В состав набортного гравиметрического комплекса ГРИН входят:
гироплатформа индикаторного типа с двумя гравиметрическими датчиками;
управляющий РС компьютер, реализующий алгоритм цифрового управления комплексом;
блоки электронного обеспечения гироплатформы;
пульт управления гравиметрическими датчиками;
система сбора, предобработки и визуализации информации на базе
РС компьютера;
источник бесперебойного питания.
Контур коррекции гироплатформы обеспечивает постоянный фазовый сдвиг близкий к -270о между остаточными наклонами и горизонтальными ускорениями, минимизируя тем самым поправку Броуна.
С целью исключения эффекта «кросс-каплинг» на гироплатформе установлены два гравиметрических датчика, чувствительные элементы которых встречно ориентированы. Параметры настройки, при которых достигается компенсация эффекта «кросс-каплинг» тщательно подбираются на стенде, имитирующем орбитальное движение судна.
Кварцевые гравиметрические датчики с жидкостным демпфированием, охваченные форсирующей обратной связью, обеспечивают очень сильное подавление помех и широкую полосу пропускания для полезного сигнала.
Гравиметрические датчики имеют двойной контур термостатирования.
Рис. 1. Малогабаритный гравиметрический комплекс «ГРИН»
282
Технические характеристики набортного гравиметрического комплекса ГРИН:
инструментальная погрешность каналов гравиметрических датчиков - 0,04 мГал;
температура статирования гравиметрических датчиков - 45оС линейное смещение нуль-пункта гравиметрических датчиков - не более 1 мГал/сутки;
точность удержания вертикали в динамике - ±15 ; напряжение питания - 220В, 50 Гц; потребляемая мощность - 1кВт.
Комплекс «ГРИН» применен при проведении научных исследований и производственных работ в акватории Мирового океана и переходных зон на научно - исследовательском судне «17 съезд профсоюзов» водоизмещением 5000 т (научно исследовательское судно той же серии показано на рис. 2); при проведении научных и производственных работ в районе Штокмановского месторождения в Баренцевом море, при проведении поисково-разведочной гравиметрической съемки Ахтанизовских лиманов Приазовья по заказу Министерства геологии РФ 1999г. на катере типа "Бриз" водоизмещением 10 т.; при проведении гравиразведочных работ в районах Северного и Центрального Каспия по заказу Министерства природных ресурсов РФ в 2000г. на судне "Тантал" водоизмещением 300 т.; при проведении гравиразведочных работ в районе Центрального Каспия по заказу Министерства природных ресурсов РФ и ООО "Лукойл-Астраханьнефть" в 2001г. на судне СР-933 водоизмещением 2000 т.; при проведении гравиразведочных работ в районе Северного Каспия и дельте реки Волги по заказу Министерства природных ресурсов РФ в 2002г. на судне "Колонок" водоизмещением 100 т, при проведении научных гравиметрических работ с борта самолета АН 30Д (рис. 3) в районе Ладожского озера. На набортный гравиметрический комплекс "ГРИН" получен сертификат соответствия № 0000419, выданный ГП "ВНИИФТРИ" Госстандарта РФ, который зарегистрирован в Реестре Системы сертификации средств измерений под № 000080070.
Разработан также малогабаритный гравиметрический комплекс «ГРИН-М», состоящий из двухосной индикаторной системы стабилизации, гравиметрического датчика типа «Чекан», имеющего двойную упругую систему из кварцевого стекла с заполнением полиорганосилоксановой жидкостью и отличающуюся идентичностью параметров, устойчивостью к воздействию инерционных ускорений и перегрузок, климатических факторов, воздействию электромагнитных и других полей, электронного блока и персональной ЭВМ (рис. 4).
Рис. 2. Научно-исследовательское судно
Рис. 5. Гравиметрическая съемка с борта самолета
Рис. 4. Малогабаритный гравиметрический комплекс «ГРИН-М»
284
В процессе создания системы стабилизации гравиметрических комплексов были решены следующие задачи:
1. Проведены исследования выходного сигнала взаимоиндуктивного датчика угла чувствительных элементов (гироскопов и акселерометров) системы стабилизации гравиметрического комплекса и проведён анализ методов преобразования этого сигнала. Показано, что в измерительных системах при малых углах отклонения наиболее эффективно применение фазового метода, при котором отсутствуют ограничения усиления сигнала квадратурной составляющей [2].
2. Предложена методика проектирования каналов чувствительных элементов индикаторного ГС, которая позволяет определить числовые значения совокупности вектора состояния системы (коэффициент интегратора, постоянную времени сглаживающего фильтра, постоянную времени стабилизирующего фильтра) на основе вектора исходных данных (минимальный сигнал, снимаемый с датчика угла, максимальный сигнал, снимаемый с выхода полосового усилителя, частота питания датчика угла, затухание усилителя, параметр корректирующего фильтра, максимальный сигнал на выходе интегратора, дрейф нуля операционного усилителя) и совокупности ограничений накладываемых на вектор состояния системы (относительная ошибка отслеживания максимального входного сигнала, относительный уровень пульсации на выходе, уменьшение запасов устойчивости по фазе, обусловленное необходимостью включения сглаживающего фильтра, относительный дрейф нуля усилительно-преобразующего тракта) [З].
3. Проведен синтез системы коррекции двухосной индикаторной гировертикали, работающей в связанной системе координат. Основа системы коррекции — двухканальное вычислительное устройство, входными сигналами которого является информация с Х, У акселерометров и датчика угловой скорости с цифровыми выходами. Цифровой код с выхода интегратора канала Х перемножается с цифровым кодом ДУС и с соответствующим знаком заводится на вход интегратора канала У. Аналогично цифровой код интегратора канала У перемножается с цифровым кодом ДУС и заводится на вход интегратора канала X. Сигналы с выхода каналов интегрирующего устройства подаются на датчики моментов поплавковых гироскопов. Параллельно основному интегрирующему устройству последовательно включены два аналогичных основному вспомогательных интегрирующих устройства, так же работающих в связанной системе координат. Каждое из устройств в своём контуре охвачено жёсткой отрицательной обратной связью. Разность выходных сигналов этих устройств суммируется с выходным сигналом основного интегрирующего устройства, соответственно по X, У каналам, а также суммируется с сигналами акселерометров, поступающих на первое вспомогательное устройство. Два вспомогательных интегрирующих устройства с обратными связями представляют собой полосовой фильтр, обеспечивающий требуемые запасы устойчивости системы и практическую инвариантность от внешних возмущений.
Исследованы уравнения, описывающие динамику контура коррекции с полосовым корректирующим фильтром. Найдено аналитическое решение, связывающее параметры полосового корректирующего фильтра с характеристиками собственного движения системы.
4. Разработаны структуры самокомпенсирующего цифрового интегратора с целой и дробной частью, производящих интегрирование сигнала акселерометра без потери информации о его младших разрядах [4].
5. Осуществлён синтез контура разгрузки, обладающего следующими достоинствами: высокая динамическая точность в области рабочих частот, эффективное подавление высокочастотных помех сигнала датчика угла гироскопа после демодуляции при требуемых запасах устойчивости [5].
6. Проведён синтез системы коррекции гировертикали с контуром автоматического совмещения осей чувствительности гироскопов и акселерометров. Неточность согласования осей чувствительности чувствительных элементов, а также дрейф «нуля» приводит при наличии азимутальных подвижек при вертикальном расположении кинетических моментов гироскопов к появлению вынужденных колебаний стабилизированной площадки, а, следовательно, к уменьшению точности работы системы. С целью автоматического совмещения осей чувствительности в системе применён датчик угловой скорости (ДУС). Сигнал с ДУС используется для модуляции сигнала основного интегратора и выделения корректирующего сигнала для компенсации рассогласования измерительных осей чувствительных элементов непрерывно.
7. Исследованы процессы, возникающие в приборе при выставке вертикали. Разработана структура, обеспечивающая быструю выставку вертикали в статике и на качке [6].
8. Проведены работы, связанные с выбором оптимальных решений при реализации конструктивной части и электронной части комплекса.
Проведённые исследования позволили добиться следующих технических характеристик работы гравиметрического комплекса, которые подтверждаются результатами стендовых и натурных испытаний [7, 8]: погрешность измерений на море при площадных съемках 0,15 мГал; при маршрутных измерениях 0,5 мГал; допустимые возмущения 300Гал, занимаемая площадь 2м2 ; масса системы стабилизации без гравиметров 35 кг.
Задача повышения точности гравиметрических измерений остается актуальной и сегодня. Уровень точности применяемой аппаратуры для целей разведки месторождений углеводородного сырья должен обеспечивать уверенное обнаружение аномалий с амплитудой 0,1-0,2 мГал, в то время как средняя квадратическая погрешность измерений, присущая гравиметрическим комплексам, созданным в России и за рубежом, составляет 0,10,3 мГал. Перспективной является задача увеличения точности гравиметрических измерений до уровня 0,01-0,05 мГал. Обеспечение перспективной точности возможно при проведении работ, связанных с совершенство-
ванием системы стабилизации, гравиметрического датчика, увеличением точности обработки гравиметрической информации, методики проведения гравиметрической съемки, увеличением точности навигационной информации о параметрах движения объекта - носителя.
Совершенствование системы стабилизации морского гравиметра, по мнению автора, возможно не только за счет использования новых чувствительных элементов повышенной точности [9,10], но и за счет придания системе стабилизации новых свойств, а именно свойств адаптации или приспосабливаемости к заранее непредвиденным изменениям условий работы путем автоматического, контролируемого изменения своих свойств и параметров. Так в работах [11,12,13] предложена и исследована система коррекции индикаторного гиростабилизатора морского гравиметра с цепью самонастройки параметров корректирующего устройства. Структурная схема системы коррекции гиростабилизатора представлена на рис. 5.
Сигнал с выхода акселерометра поступает на вход устройства измерения спектра, характеристики которого определяются интегральным преобразованием Фурье временного сигнала (1) в его частотный спектр
8(ю ). В этом спектре определяются частоты юк , где спектр имеет преобладающее значение амплитуды. В соответствии со значением частоты качки управляющее устройство (УУ) изменяет параметры дополнительного динамического звена с передаточной функцией ж4 ) таким образом, чтобы фазовый сдвиг между горизонтальными ускорениями и отклонением платформы был точно равен -270 град.
Рис. 5. Структурная схема системы коррекции с самонастройкой параметров: a(s) - ошибка стабилизации; '(б) - горизонтальные
ускорения качки; КА - коэффициент передачи акселерометра;
КЛ- коэффициент передачи гироскопа по управляющему воздействию;
g - ускорение силы тяжести; О - угловая скорость системы
отсчета; Т2, Т3, X, Е2 -постоянные времени,коэффициент
демпфирования и коэффициент передачи корректирующего устройства контура коррекции
287
Рассмотрены случаи, когда в качестве дополнительного динамического звена используются апериодическое звено с передаточной функцией
Щ Ы = —(1) Т^ +1
где Т4 - переменная постоянная времени апериодического звена, а также звено с передаточной функцией:
Т4 • л /1 +1
Щ ( * ) =
(2)
Т4л +1
где Т4 - переменная постоянная времени звена (2), а I - переменный пара метр звена (2).
Получены критерии самонастройки. Для случая (1) постоянная времени Т4 определяется исходя из следующего условия самонастройки:
tg
ТА =■
-90° + аг(Т3 Юк) + arctg
' 2ХюкТ2 Л
(ЮкТ2)2 -1
У
Юк
Для случая (2) условие самонастройки запишется в виде
Ад = -90° + аг^(Т3№к) - аг^ 1 + Бт Ад
2ХТ2Юк 1- (ТЮк )2
1 - Бт Ад
Т
4'
± 4-1.
Юк
Применение системы коррекции с самонастройкой ее параметров обеспечивает отсутствие погрешности < 8§1 > (< 8§1 > - среднее за период качки значение погрешности гравиметра из-за ускорений и наклонов стабилизированной площадки), пренебрежимо малое значение погрешности < 8§2 > (<6§2 > - среднее за период качки значение погрешности гравиметра, обусловленное наклонами стабилизированной площадки), отсутствие погрешности по скорости, статической погрешности из-за постоянных возмущающих моментов, действующих по оси прецессии гироскопа и время переходного процесса не превышающее 300 с.
В случае (2) обеспечивается меньшее значение погрешности измерения < 8§1 > при изменении преобладающей частоты качки в течение интервала времени, необходимого для самонастройки устройства системы коррекции и неточности при определении истинного значения преобладающей частоты качки по сравнению со случаем (1).
Список литературы
1. Свидетельство на полезную модель №9653 РФ. Бортовой гравиметрический инерционный комплекс «Грин» / В. А. Лыгин, И.В. Мирошниченко, В.Н. Конешов, Д.М. Малютин, Коржук Н.Л. 1999.
2. Анализ методов преобразования сигнала взаимоиндуктивного датчика чувствительных элементов гироскопических систем / Д.М. Малютин. Н.Л. Коржук, В.А. Лыгин. И.В. Мирошниченко. А.Н. Кутуров, Е.А. Хвалина // Оборонная техника. 1996. № 10,11. С. 37—39.
3. Проектирование каналов чувствительных элементов индикаторного гиростабилизатора геофизической аппаратуры / Д.М. Малютин, В.А. Лыгин. И.В. Мирошниченко. А.Н. Кутуров // Оборонная техника. 1996. № 10,11. С. 41—44.
4. Малютин Д.М., Кутуров А.Н., Коржук Н.Л. Особенности процесса интегрирования в ЭВМ контура коррекции инерциального гиростабилизатора. / Научно-техническая конференция с международным участием «Приборостроение-93»: тез докл. Николаев. 1993. С.30.
5. Малютин Д.М. Разработка контура стабилизации индикаторной гировертикали // Оборонная техника. 1999. №3,4. С.43—45.
6. Малютин Д.М., Коржук Н.Л. Разработка канала ускоренной выставки длиннопериодной гировертикали // Оборонная техника. 1998. № 6,7. С. 12—14.
7. Результаты испытаний двухосной индикаторной системы стабилизации морского гравиметра / В.К. Карпов. А.Н. Кутуров. Д.М. Малютин. Н.Л. Коржук, В.А.Лыгин, Г.А. Кононков //Оборонная техника. 1993. № 3, С. 28—31.
8. Малютин Д.М., Коржук Н.Л. Результаты стендовых и лётных испытаний гравиметрического комплекса «ГРИН» // Оборонная техника. 1996. № 11. С. 39-41.
9. Патент на изобретение N2260189 РФ. Устройство для измерения угловой скорости / А.Н. Кутуров, Д.М. Малютин, Н.Л. Коржук, М.Д. Малютина 2005.
10. Малютин Д.М., Кутуров А.Н. Аналого-цифровой преобразователь для элементов гироскопических систем // Известия Вузов «Приборостроение», № 8. С.Петербург. 2005. С. 41-46.
11. Малютин Д.М. Гиростабилизатор морского гравиметра с самонастройкой параметров // Известия Вузов «Приборостроение», № 9. С.Петербург. 2003. С. 18-23.
12. Патент на изобретение РФ N2244261, 2005. Система коррекции гиростабилизатора морского гравиметра / Д.М. Малютин, Н.Л. Коржук, В.А. Лыгин, И.В. Мирошниченко, И.В. Пироженко, И.И. Ларин.
13. Малютин Д.М. Особенности построения цепи самонастройки системы коррекции гиростабилизатора морского гравиметра // Известия Вузов «Приборостроение». С. Петербург, 2005. № 8. С. 2630.
Малютин Дмитрий Михайлович, канд. техн. наук, доц., проф., Malyu-tindm@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SMALL-SIZED GRA VIMETER COMPLEXES FOR AERO AND SEA MEASUREMENTS
D.M. Malyutin
In work the primary goals which have been solved at creation small-sized gravimeter complexs «GRIN» and "GRIN-M" for sea measurements are shined. The characteristics of complexes confirmed by results of natural tests are resulted.
Key words; gravimeter, gyrostabilizer, a gyroscop.
Malyutin Dmitriy Mikhailovich, candidate of texnical science, docent, professor , Malyutindm@yandex. ru,, Tula, Tula State University
УДК 531.383
ГИРОСТБИЛИЗАТОРЫ ОПТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
Д.М. Малютин, С.В. Телухин, В.Я. Распопов
Приведено описание и технические характеристики гиростабилизаторов оптической аппаратуры, разработанные на кафедре ««Приборы управления» Тульского государственного университета.
Ключевые слова: микромеханический гироскоп, динамически настраиваемый гироскоп, волоконно-оптический гироскоп, гиростабилизатор.
Одним из научных направлений кафедры «Приборы управления» Тульского государственного университета является исследование динамики и разработка гиростабилизаторов (ГС) оптической аппаратуры. ГС оптической аппаратуры широко применяются на подвижных объектах. К таким ГС предъявляются высокие требования по точности стабилизации и ориентации в пространстве оптической аппаратуры, технологичности конструкции, малому числу функциональных элементов, и, следовательно, повышенной надежности, возможности функционирования в широком диапазоне температур и перегрузок при малом времени готовности, малой потребляемой мощности.
На кафедре «Приборы управления» разработан двухосный индикаторный гиростабилизатор (рис. 1) [1]. В качестве гироскопического чувствительного элемента гиростабилизатора применен трехстепенной астатический гироскоп МГТУ-05М, работающий в режиме датчика угла. Использование гироскопа МГТУ-05М обеспечивает высокие точностные характеристики ГС. Технические характеристики гироскопов семейства МГТУ приведены в табл. 1.
