CC BY
48
ЭВМ, которая либо сбросит устройство S0, либо выставит новые значения (S1), либо запросит текущее состояние S3.
Список литературы
1. DATA SHEET AD5272. Rev C, 11/2010. 1 с. A.N. Lukovnikov
DEVELOPING SCALABLE CONTROL TEST EQUIPMENT FOR TELEMETRY SYSTEM OF SPACECRAFT
The structure of control and test equipment for the telemetry system of the spacecraft with a scalable architecture is proposed.
Key words: The structure of control and test equipment, telemetry system.
Получено 17.10.12
УДК 631.396
М.Б. Богданов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-05-52 (Россия, Тула, ТулГУ),
В.В. Савельев, д-р техн. наук, проф. (4872) 35-05-52, pbs.tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ, СОДЕРЖАЩИХ ДАТЧИКИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
На основе аналитического описания причин дрейфа БИНС в определении угловой ориентации в условиях синхронной качки, предлагается метод определения мультипликативных погрешностей измерительных каналов системы, содержащих датчики угловой скорости. Метод подтвержден экспериментально. На примере показаны возможности метода в решении задачи уточнения коэффициентов передачи измерительных каналов БИНС.
Ключевые слова: бесплатформенная система, метод определения погрешностей, мультипликативные погрешности, синхронная качка.
Постановка задачи
Для повышения точности бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), необходимо определить, а затем уменьшить погрешности измерительных каналов (ИК) системы, содержащих датчики угловой скорости (далее в работе ИК ДУС), и акселерометры. Погрешности ИК ДУС можно разделить на аддитивные, мультипликативные и погрешности, обусловленные временем запаздывания сигнала об угловой скорости в ИК. Для определения мультипликативных погрешностей ИК ДУС требуется испытательное оборудование с высокой стабильностью во вре-
мени воспроизведения угловой скорости [1]. Целью работы является разработка метода определения мультипликативных погрешностей измерительных каналов, содержащих датчики угловой скорости, без использования дорогостоящего прецизионного испытательного оборудования.
Метод определения погрешностей
В работе [2] получены аналитические выражения, наглядно показывающие причины нарастания погрешности БИНС в определении угловой ориентации при синхронной качке основания. В частности установлено, что при равенстве частот колебаний основания по углам крена и тангажа в показаниях системы присутствует нарастающая со временем погрешность (дрейф) в определении угла рыскания. При разнице фаз колебаний по углам крена и тангажа равной к/ 2 (по фазе крен опережает тангаж на к/ 2), скорость нарастания погрешности в определении угла рыскания <ц/ >в описывается выражением
<ф >в = ^20 + (Ж2 - К -К ). (1)
При равенстве частот колебаний по углам крена и рыскания с разницей фаз к/2 (по фазе крен опережает рыскание на к/2), проявляется дрейф по углу тангажа, скорость дрейфа описывается выражением (2), а при равенстве частот колебаний по углам тангажа и рыскания с той же разницей фаз (по фазе тангаж опережает рыскание на к/2) проявляется дрейф по углу крена, скорость которого описывается выражением (3)
<и >в = ®3о-^рЧЖ3-Ж! -К), (2)
< т >в=^+^рЧ<К1 -К-ак2). (3)
В выражениях (1) - (3) приняты следующие обозначения: ¥т,Тт " амплитуды колебаний по углам рыскания, тангажа и крена соответственно; - частоты синхронной качки по углам крена и тангажа, крена и рыскания, а так же тангажа и рыскания соответственно;
ДК ДК2 ДК 3 <Ж1 =-, §К2 =-, оКз =- - мультипликативные погрешности
К1 К 2 К 3
ИК ДУС (здесь и в дальнейшем коэффициент 1 указывает на ИК ДУС, ось чувствительности которого, направлена вдоль оси ОХ связанной с объектом системы координат, коэффициент 2 - вдоль оси OY, коэффициент 3 -вдоль оси О7, направление осей показано на рис. 1 в работе [2]). Причем 0К1,0К2,ОКз << 1; К1,К2,К3 - номинальные значения коэффициентов передачи, а ЛК1, ЛК2, ЛК3 - изменения (отклонения от номинальных значений) коэффициентов передачи ИК ДУС, вызванные, например, изменением температуры окружающей среды, неучтенной нелинейностью статической характеристики, неточным определением коэффициентов передачи
и т.п.; &10,&>20,&>з0 - аддитивные погрешности соответствующих ИК ДУС,
например, некомпенсированные нулевые сигналы.
Если принять, что величины мультипликативных погрешностей ИК ДУС от запуска к запуску являются величинами постоянными, то уравнения (1) - (3) можно объединить в систему трех алгебраических уравнений с тремя неизвестными мультипликативными погрешностями. Обозначим правые части этих уравнений через Ху,
Хи и Ху\
где Ху =
8К2 - 8К3 - 8КХ = Ху 8К 3 - К - 8К 2 = Хо К - 8К 3 - 8К 2 = X у
2 ■(<& > в -^20 ) 2 -(®з0 -
Х„ =
<6 > в)
Х у =
2 (<У>
(4) ®1о )
°тУтУ,
тг~ тг оу
от ут Ууо ут ут Ууху
являются известными величинами, определяемыми или задаваемыми в ходе проведения экспериментов.
Решив систему (4), получим
8КХ =
Г Ху + ХоЛ
V
2
, 8К 2 =
^ Х6 + Х у
У
2
8К з =
г Ху + Х у Л
V
2
(5)
У
Таким образом, задача определения мультипликативных погрешностей ИК ДУС решается обеспечением определенного режима качки БИНС и оценки дрейфа по угловым координатам при этой качке.
На основе уравнений (5) предлагается метод определения мультипликативных погрешностей ИК ДУС. Метод заключается в выполнении следующей последовательности действий.
1. Определение условий воспроизводимости [3] результатов экспериментов, т.е. условий при которых мультипликативные погрешности ИК ДУС остаются неизменными от запуска к запуску.
2. Проведение эксперимента, в ходе которого БИНС подвергается синхронной качке по углам крена и тангажа с амплитудами ут ,от, частотой у^ и разницей фаз ж/2. В постобработке результатов эксперимента определение величины Ху.
3. Проведение эксперимента, в ходе которого БИНС подвергается синхронной качке по углам крена и рыскания с амплитудами ут,ут, частотой Ууу и разницей фаз ж/2. В постобработке результатов эксперимента определение величины Хо.
4. Проведение эксперимента, в ходе которого БИНС подвергается синхронной качке по углам тангажа и рыскания с амплитудами от,ут, частотой и разницей фаз ж/2. В постобработке результатов экспери-
мента определение величины Х.
у■
>
5. Определение мультипликативных погрешностей по выражениям (5).
Предлагаемый метод позволяет определить не только мультипликативные погрешности, но и их стабильность в запуске. Действительно, если принять, что амплитуды и частоты качки, а также аддитивные погрешности ИК ДУС во время проведения экспериментов неизменны, то нестабильность дрейфа (величин <ц/ >в, < О > в и < у/ >в) обусловлена только нестабильностью мультипликативных погрешностей ИК ДУС.
Экспериментальная апробация метода
В ходе экспериментальной апробации предлагаемого метода использовался негабаритный макетный образец БИНС [4], построенный на волоконно-оптических гироскопах и компенсационных акселерометрах. Из-за отсутствия прецессионного оборудования коэффициенты передачи ИК ДУС в свое время были определены приближенно, вместо величин К1, К2, К3 были определены величины Кц = К1 +ДК1, К^ = К2 +ЛК2,
К3Н = К3 + ЛК3.
Т.е. в ИК содержаться мультипликативные погрешности, которые можно определить предлагаемым методом.
Для реализации метода использовался трехкомпонентный динамический стенд, обеспечивающий синхронную качку относительно двух осей с регулируемыми амплитудой и частотой и фиксированной разницей фаз, равной к/ 2. Амплитуда качки по соответствующим углам, обеспечиваемая стендом, составляет 12,20 +1%. Частота качки во всех экспериментах составила 0,53Гц +1%.
На рисунке 1 показаны экспериментально полученные дрейфы БИНС в определении угловой ориентации, полученные в ходе выполнения пунктов 2 - 4 метода. При выполнении пункта 3 разница фаз качки по углам крена и рыскания составила -к/2, т.е. рыскание по фазе опережает крен на к/ 2. Вследствие этого второй член правой части равенства (2) ме-
+ V 2(<О >в -^3р )
няет знак на «+», а выражение для Ху примет вид ХО =-.
ут ут ^уу
Причина изменения знака поясняется выражением (6) работы [2].
Хронология экспериментов следующая. Время работы БИНС 150 секунд. Вначале БИНС неподвижна, далее, примерно на 20-30 секунде, включался стенд, и БИНС подвергается качке в течение 100 секунд. Примерно с 130 секунды до окончания работы, БИНС снова неподвижна. Промежутки времени, в течение которых БИНС неподвижна, необходимы для определения некомпенсированных нулевых сигналов (аддитивных погрешностей) ИК ДУС.
Из рис. 1 видно, что дрейф по угловым координатам в условиях качки значительно больше, чем при неподвижном основании. Например, аддитивная погрешность в ИК рыскания приводит к дрейфу по соответствующему углу на уровне -300/ч (рис.1, а). Во время качки дрейф по углу
рыскания, обусловленный суммарным влиянием аддитивных и мультипликативных погрешностей, составляет 2300/ч. Ввиду малости влияния аддитивных погрешностей ИК ДУС по сравнению с влиянием мультипликативных, будем считать величины <Ц0,&2о>^3о равными нулю. Также видно, что дрейф постоянный, следовательно, мультипликативные погрешности и сами коэффициенты передачи ИК ДУС стабильны в запуске.
20 40 60 80 100 120 время, с
Рис. 1. Дрейфы БИНС по угловым координатам, обусловленные
мультипликативными погрешностями ИК ДУС: а - дрейф по углу рыскания при синхронной качке по углам крена и тангажа с разницей фаз ж/2; б - дрейф по углу тангажа при синхронной качке по углам крена и рыскания с разницей фаз -ж/ 2; в - дрейф по углу крена при синхронной качке по углам тангажа и рыскания с разницей фаз ж/2
По экспериментальным данным определяем величины Ху = 0,014514, ХО = 0,009119 , Ху = 0,002954. По уравнениям (5) рассчитаем значения мультипликативных погрешностей:
8К1 = -0,0118165 , 8К2 = -0,0060365 , 8К3 = -0,008734 .
Другими словами, коэффициенты передачи ИК ДУС исследуемой системы имеют погрешности: по каналу 1 - примерно 1,18 %, по каналу 2 -примерно 0,60 %, по каналу 3 - примерно 0,87 %.
Недостоверность информации об амплитуде качке и частоте на уровне 1 % в данном исследовании приводит к погрешности определения мультипликативных погрешностей ИК ДУС на уровне 3 %, т.е. можно записать 8КХ = (-1,18 ± 0,04) %, 8К2 = -(0,60 ± 0,02) %, 8К3 = (- 0,87 ± 0,03)%.
Разумеется, определив мультипликативные погрешности, их можно устранить. Для этого, используя обозначения к выражениям (1) - (3), запишем выражения для номинальных (уточненных) коэффициентов передачи измерительных каналов с учетом найденных погрешностей:
К1 , К 2 = ^, К 3 = , (6)
1 1+ 8К1 2 1+ 8К2 3 1+ 8К3
где К1 , К2 , К3 - коэффициенты передачи соответствующих измерительных каналов, содержащие погрешности и используемые при проведении перечисленных выше экспериментов.
В соответствии с выражениями (6) и вычисленными мультипликативными погрешностями рассчитаем номинальные коэффициенты передачи ИК ДУС. Результат пересчета углов по тем же экспериментальным данным, но с использованием номинальных (уточненных) коэффициентов передачи (6) показан на рис. 2. Для удобства сравнения, масштабы по углам приняты те же, что и на рис. 1.
Из рис. 2 видно, что дрейф, обусловленный мультипликативными погрешностями ИК ДУС, устранен. Следовательно, погрешности предлагаемым методом определены верно.
Предлагаемый метод фактически реализует разностный метод определения коэффициентов передачи, так как определяются не сами коэффициенты передачи ИК ДУС, а их погрешности (отклонения от номинальных величин), являющиеся по условиям, принятым при выводе выражений (1) - (3), величинами малыми: 8К1, 8К2, 8К3 << 1. Указанные погрешности
получены с точностью ±3 %, следовательно, номинальные коэффициенты передачи, рассчитанные по выражениям (5), получаются с погрешностью << 3 %, или < 0,3 %, и это при том, что использовался стенд со стабильностью амплитуды и частоты качки на уровне 1 %.
а)
"1 1 9]-!-!-!-!-!-!-Г
-120 ——^—;—;—\——
I -121..........[.......[.......!........!.......I.......I.......I-
а.
20 40 60 80 100 120 время, с
тот ЛЛЛЛГ ЛМЛЛ \АМА Ш ш НА
20 40 60 80 100 120 время, с
20 40 60 80 100 120 время, с
Рис. 2. Дрейфы БИНС по угловым координатам после устранения мультипликативных погрешностей ИК ДУС: а - дрейф по углу рыскания при синхронной качке по углам крена и тангажа с разницей фаз к/2; б - дрейф по углу тангажа при синхронной качке по углам крена и рыскания с разницей фаз - к/2; в - дрейф по углу крена при синхронной качке по углам тангажа и рыскания с разницей фаз к/2
Заключение
На основе полученных ранее аналитических выражений, наглядно раскрывающих причины погрешностей БИНС в определении угловой ориентации в случае синхронной качки основания, предложен метод определения мультипликативных погрешностей измерительных каналов системы, содержащих датчики угловой скорости (любого типа). Метод можно использовать для определения и последующего устранения указанных погрешностей без использования дорогостоящего прецизионного оборудования. На примере показаны возможности метода в решении задачи уточне-
ния коэффициентов передачи измерительных каналов конкретного образца БИНС.
Список литературы
1. Калихман Д.М. Прецизионные управляемые стенды для динамических испытаний гироскопических приборов / под общ. ред. акад. В.Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2008. 296 с.
2. Анализ совместного влияния условий эксплуатации и погрешностей измерительных каналов на точность бесплатформенной системы ориентации / М.Б. Богданов [и др.] // Гироскопия и навигация. № 3 (62). СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2008. С. 53 - 58.
3. ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.
4. Богданов М.Б., Данилов М.Б., Савельев В.В. Результаты исследовательских испытаний бесплатформенной инерциальной навигационной системы, построенной на волоконно-оптических гироскопах и компенсационных акселерометрах // XVII Санкт-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам: сборник материалов. СПб, 2010. С. 117-119.
M.B. Bogdanov, V.V. Savelev
METHOD FOR DETERMINING THE ERRORS MULTIPLICATIVE MEASUREMENT CHANNELS STRAPDOWN INERTIAL NAVIGATION SYSTEMS CONTAINING ANGULAR VELOCITY SENSOR
Based on the analytical description of the reasons for the drift in determining BINS angular orientation in a synchronous rolling, a method definition of multiplicative errors of measuring channels of the system containing the angular velocity sensor. The method is confirmed experimentally. On the example shows the potential of the method in solving the problem of improving the transmission coefficients of channels SINS.
Key words: strapdown system, the method of determination of errors, multiplicative errors, synchronous rolling.
Получено 17.10.12
УДК 629.7.052
В.А. Иванов, магистр, 8 (919) 770-21-06, daos007@yandex.ru (Россия, Москва, МИЭТ)
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ДАТЧИКОВ АНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Предложен метод первичной обработки сигналов датчиков телеметрической информации с применением базового матричного кристалла.
Ключевые слова: телеметрическая система, датчики аналоговой информации, базовый матричный кристалл, космический аппарат.
Телеметрическая система - комплекс технических и программных средств, предназначенный для контроля телеметрической информации на борту космического аппарата (КА).
Независимо от размеров и целей КА, телеметрическая система яв-
