Методы гирокомпасирования для выносного высокоточного гирокомпаса Текст научной статьи по специальности «Физика»

THE EFFECT OF THE PROPERTIES OF STRUCTURAL MATERIALS ON THE OUTPUT CHARACTERISTICS OF ZEEMANLASER SENSORS

A.O. Sinelnikov, A.A. Katkov, N.R Zapotylko, I.I. Savelyev

The paper presents the results of a study of the output characteristics of Zeeman laser sensors with resonator bodies made of various glass-ceramic materials. A comparative analysis of the basic parameters of the manufactured devices is carried out. Recommendations are given on the use of various glass ceramics for the manufacture of cases and parts for optical resonators of laser sensors.

Key words: laser gyro, Zeeman laser sensor, glass-ceramic, output characteristic.

Sinelnikov Anton Olegovich, candidate of technical sciences, head of section, mr. sinelnikov. a a mail. ru, Russia, Moscow, JSC «Research Institute «Polyus» named aftee M.F. Stelmah»,

Katkov Alexander Anatolievich, candidate of technical sciences, group leader, a Katkoffa,mail. ru, Russia, Moscow, JSC «Research Institute «Polyus» namled aftee M.F. Stelmah»,

Zapotylko Nina Rudolfovna, candidate of technical sciences, head of section, zap nina a mail. com, Russia, Moscow, JSC «Research Institute «Polyus» namled aftee M.F. Stelmah»,

Saveliev Igor Ivanovich, candidate of physics and mathematics sciences, head of department, i. savelieva mail. ru, Russia, Moscow, JSC «Research Institute «Polyus» named nft ter M.F. Stelmah»

УДК 629.7.054.07

МЕТОДЫ ГИРОКОМПАСИРОВАНИЯ ДЛЯ ВЫНОСНОГО ВЫСОКОТОЧНОГО ГИРОКОМПАСА

С.А. Норсеев, Д.А. Буров, Д.Ю. Тютюгин

Рассматриваются методы, обеспечивающие повышение метрологических характеристик выносных гирокомпасов на базе кольцевых лазерных гироскопов. Приведены требования к основным чувствительным, измерительным и исполнительным элементам конструкции для каждой методики измерений. Для повышения точности измерения азимута предложено использовать методику, предусматривающую непрерывное вращение ориентированных специальным образом лазерных гироскопов.

Ключевые слова: гирокомпас, определение азимута, кольцевой лазерный гироскоп, акселерометр.

Одним из основных требований, предъявляемых к наземному полевому гирокомпасу, наряду с малой массой, низким энергопотреблением является обеспечение высокой точности проведения измерений

51

на неподвижном относительно Земли основании. В этом случае определяющим фактором обеспечения заданной точности работы гирокомпаса является точность входящих в его состав чувствительных элементов (ЧЭ): гироскопов и акселерометров.

Учитывая высокие требования, предъявляемые к ЧЭ, в высокоточных гирокомпасах широко применяются механические гироскопы.

Среди имеющихся публикаций можно найти упоминания о различных разработках морских и наземных гирокомпасов как на базе различных типов механических гироскопов [1] (динамически настраиваемых, поплавковых, электростатических и других), так и на базе оптических (ВОГ и КЛГ). Общий перечень современных разработок гирокомпасов на базе механических гироскопов, ВОГ и КЛГ достаточно широк.

Гирокомпасы на базе механических гироскопов обладают высокими метрологическими характеристиками. В табл. 1 представлены основные характеристики некоторых гирокомпасов на базе механических гироскопов.

Таблица 1

Основные технические характеристики гирокомпасов

Характеристика Марка гирокомпаса

1Г17 1Г25-1 1Г40 1Г47

1 2 3 4 5

Наличие электрического канала Нет Есть

Вид подвеса Торсионный Электромагнитный

Наличие режима самоориентирования Нет Есть

Продолжительность определения азимута направления (с учетом времени перевода гирокомпаса из походного положения в рабочее), мин 12 10 5/12 4/13

Срединная погрешность определения азимута 20" 0-00,5! д.у. 0-00,4 д.у. 0-00,4 д.у.

Масса комплекта, кг 135 80 110 140

Д.у. - деление угломера.

В гироскопической системе высокоточных гирокомпасов на базе механических гироскопов реализован компенсационный метод определения азимута. Суть данного метода заключается в том, что чувствительный элемент (гироскоп) не совершает прецессионных колебаний, а удерживается в неподвижном состоянии под действием магнитного поля. При этом

возникает равный по величине и противоположный по направлению управляющий момент. Последний воспринимается регистрирующим устройством гирокомпаса и преобразовывается в соответствующее значение азимута.

Перед началом измерений по определению величины азимута ось гироскопа с различной в зависимости от модели гирокомпаса точностью должна быть примерно выставлена вдоль плоскости истинного меридиана. В ряде гирокомпасов для этого используется магнитная стрелка. Для тех случаев, когда необходимые для этого данные отсутствуют, в гирокомпасах предусмотрен режим самоориентирования. В табл. 1 продолжительность определения истинного азимута направления в режиме самоориентирования представлена в знаменателе.

Несмотря на значительное развитие и освоение в производстве механических гироскопов, они имеют с точки зрения применения в составе современных полевых средств измерения азимутов ряд существенных недостатков. Механические динамически настраиваемые, а также поплавковые и электростатические гироскопы, хотя и обладают достаточно высокой точностью, но чувствительны к механическим ударным перегрузкам и климатическим воздействиям, требуют сложной системы термостатирова-ния, уменьшающей время готовности и имеющей значительное энергопотребление. Механические гироскопы с массивным ротором при изготовлении требуют высокий уровень оснащения и культуры механического производства с применением уникального ручного труда.

ВОГ также не обеспечивают необходимую для гирокомпаса высокого класса точности стабильность смещения нуля и масштабного коэффициента в нужном диапазоне температур [2].

Сегодня наиболее оптимальными приборами с точки зрения цены и качества считаются лазерные гироскопы [2].

Однако существующий уровень отработки лазерных гироскопов зачастую не позволяет непосредственно получить высокие точностные характеристики, свойственные гирокомпасам на механических гироскопах с тяжелым ротором. Для увеличения метрологических характеристик гирокомпасов на кольцевых лазерных гироскопах необходимо применение различных алгоритмов обработки информации. Одним из таких алгоритмов является методика проведения измерений в рамках известного метода двойного гирокомпасирования [3].

Метод двойного гирокомпасирования. В рамках метода двойного гирокомпасирования (ДГК) гироскопический ЧЭ устанавливается так, чтобы ось чувствительности (ОЧ) условно первого гироскопа была направлена на заданный объект либо образовывала с заданным направлением известный угол, ОЧ условно второго гироскопа - ортогональна. В этом положении осуществляется первое накопление данных в течение времени Т1, в ходе которого вычисляются средние значения проекций угловой скоро-

53

сти Земли, измеренных гироскопами. Затем платформа поворачивается вокруг вертикальной оси на угол, близкий к 180°, и после фиксации положения в новой установке осуществляется второе накопление данных в течение времени Т2. Третье накопление данных в течение времени Тз осуществляется снова в исходном положении и объединяется с результатами первого накопления. Накопление в три этапа используется для лучшей компенсации систематического дрейфа гироскопов, изменяющегося в ходе сеанса курсоопределения.

Очевидно, что T1 + Trot + T2 + Trot + T3 = T - заданное время гиро-компасирования, Trot - время, затрачиваемое на поворот платформы на 180°. С целью достижения одинакового усреднения шумов измерений в обоих угловых положениях целесообразно обеспечить равенство T1 + T3 = T2.

Для вычисления исходного курса используются усредненные для каждого углового положения измерения КЛГ и акселерометров, по которым определяется фактический угол наклона ОЧ гироскопов.

Алгоритм «идеальной работы» для данного метода может быть получен с учетом предположений, что:

1) ОЧ первого и второго КЛГ идеально горизонтированы и взаимно ортогональны;

2) поворот осуществляется строго на 180°;

3) погрешность масштабного коэффициента (МК) КЛГ равна нулю;

4) дрейф постоянен в запуске;

5) шумовая составляющая в усредненных измерениях отсутствует.

В этих условиях в исходном положении блока измерений для

усредненных измерений КЛГ имеем

wxi = Wcosj • cosy + dW x,

wzi =-Wcosj-siny + 5W z, (1)

где Q - угловая скорость вращения Земли; ф - широта; у - искомый угол курса ОЧ КЛГ по оси Х; 5Qx, 5Qz - дрейф КЛГ по оси X и по оси Z.

После поворота на 180° усредненные измерения КЛГ будут соответствовать выражениям

wx2 = -Wcosj • cosy + 5W x,

wz2 = Wcosj • siny + 5W z. (2)

Вычитая для каждого КЛГ из первого измерения (1) второе (2), для косинуса cosy и синуса siny искомого угла курса получим

wx1- wx2

cos y = sin y =

2Wcosj

w z1 - w z2

2Wcosj

54

Теоретически при идеальных измерениях безразлично, какой обратной тригонометрической функцией пользоваться для нахождения у. Однако, учитывая возмущенный характер измерений и вычислительную точность операций, для вычисления угла курса в диапазоне (-п; п] можно воспользоваться алгоритмом

cos y

y =

arccos

(arcsin

2 • 2 cos y + Sin y

sin y

2 • 2 cos y + sin y

sign(sin y), если cos y £ sin y

p

+ — • sign(siny) • [sign(cosy) - 1]} X (3)

x sign(cos y), иначе

Приведенный алгоритм «идеальной работы» показывает общий принцип решения задачи двойного ГК, в процессе которого удается компенсировать главный источник погрешности курсоопределения - систематический дрейф. Это достигается вычитанием измерений (1) и (2), полученных в исходном и реверсном положениях.

Подобный алгоритм работы применен в конструкции лазерного гирокомпаса 9А184 [2], который обеспечивает погрешность измерения азимута (с вероятностью 0.9) 10' за время измерения 8 мин, погрешность измерения углов тангажа и крена (с вероятностью 0,9) 2.6'. В конструкции лазерного гирокомпаса 9А184 применен чувствительный элемент - экспериментальный образец одноосного лазерного гироскопа ДУП-4 (табл. 2).

Таблица 2

Характеристики лазерного гироскопа ДУП-4

Наименование параметра, ед. изм. Значение

Время готовности, с 1

Суммарный дрейф нуля: - без калибровки, °/ч - с калибровкой в течение 5 мин, °/ч - при реверсе оси чувствительности и с калибровкой в течение 15 мин, °/ч 1.. .0,5 0,1.. .0,05 0,01

Магнитная чувствительность, °/(ч-Э) 0,004

Нестабильность масштабного коэффициента, отн.ед. 1 • 10-4

Рабочая температура, °С -55.. .+60

Как видно из представленных данных, без реверса оси чувствительности и калибровки данный ЧЭ не может обеспечить требуемые характеристики определения азимута. Поэтому в составе гирокомпаса 9А184 измерение точного азимута проводится в три этапа. На первом этапе в исходном положении поворотной платформы, в котором ось чувствительно-

сти КЛГ совпадает с измерительной осью гирокомпаса, определяется предварительный азимут. Если направление оси чувствительности КЛГ не совпадает с направлением «запад - восток», выверенным по предварительному азимуту, то дается команда на установку поворотной платформы в оптимальное положение. После этого на втором этапе измеряют проекцию угловой скорости Земли и угол наклона измерительной оси КЛГ в зафиксированном положении, близком к направлению «запад - восток». На третьем этапе проводят аналогичные измерения в положении, повернутом на угол 180°, а азимут вычисляют с учетом полусуммы измерений на втором и третьем этапах.

В общем случае для метода ДГК в условиях, когда углы отклонения ОЧ ЛГ от горизонтальной плоскости малы по абсолютной величине и поворот производится на угол, близкий к 180°, построена модель погрешности метода ДГК на основе алгоритма (3).

С помощью указанной модели погрешностей проведена оценка точности определения азимута ГК для заданного набора характеристик разрабатываемого для высокоточного ГК кольцевого лазерного гироскопа. Оценка точности приведена в табл. 3.

Таблица 3

Погрешность определения азимута за 12 мин схемы гирокомпаса на 2 ортогональных КЛГ с реверсом осей чувствительности

на широте места 70,0°

№ Наименование возмущающего фактора Значение Погрешность определения азимута

1 Погрешность масштабного коэффициента КЛГ -5 10 3"

2 Случайная составляющая нулевого сигнала КЛГ в запуске 0,001 °/ч (3о) 40"

3 Спектральная мощность плотности шума сигнала КЛГ 0,0001 °/^ч 36"

4 Изменчивость смещения нуля акселерометра 10^8 6"

5 Погрешность задания широты -5 1,5-10 рад (100 м) 0,06"

6 Погрешность поворота платформы в реверс-ное положение 5" 4"

7 Взаимная неортогональность осей чувствительности КЛГ 5" 5"

Суммарное действие возмущающих факторов (независимое) 55"

Среди пренебрежимо малых погрешностей можно назвать вклад от погрешности задания широты места (№5) и от погрешности МК КЛГ (№1). Наиболее значимыми факторами могут считаться случайная составляющая нулевого сигнала КЛГ в запуске (№2), спектральная мощность плотности шума сигнала КЛГ (№3). Уровень точности ГК на базе КЛГ с набором параметров табл.3 существенно выше ЛГК [2] и соответствует уровню точности ГК на механических гироскопах (см. табл.1).

Полученные в модели погрешностей соотношения можно также использовать для обоснования требований к датчикам, исходя из требований к гирокомпасу.

Как видно из табл. 3, семь независимых факторов влияют на совокупную погрешность метода. Поэтому требуется разделить заданную погрешность на семь слагаемых, отвечающих вкладу каждого фактора по отдельности. Очевидно, такое разделение можно сделать не единственным образом. В этих условиях предлагается следующий подход: выделяются факторы, незначительно влияющие на совокупную погрешность. Затем оценивается технически достигаемый минимальный уровень их суммарного вклада, и этот вклад ограничивается полученной оценкой. «Оставшаяся» погрешность используется для оценки предельных значений существенных факторов.

Из табл. 3 видно, что требования к КЛГ, обеспечивающие суммарный вклад в совокупную ошибку курсоопределения не более чем 55", чрезвычайно строгие. И если верхнюю границу случайной составляющей нулевого сигнала КЛГ в запуске путем температурной и магнитной компенсации или защиты можно пытаться уменьшить до заданного уровня, то обеспечить низкий уровень шума для существующих КЛГ - наибольшая проблема.

Снизить требования к уровню шума возможно за счет увеличения плановой продолжительности сеанса гирокомпасирования.

Оценивая существующие возможности обеспечения требуемых значений калибруемых параметров ГК, можно сделать следующий вывод: наибольшей проблемой на пути создания высокоточного ГК на базе КЛГ является высокий уровень шумов, влияние которых не позволяет обеспечить требуемую точность курсоопределения за короткий сеанс измерений.

Одним из источников шума, или высокочастотной составляющей в измерениях, для КЛГ с виброподвесом является сама виброподставка, отказаться от которой невозможно по причине эффекта захвата встречных волн, с которым она борется. Альтернативный способ частотной подставки - магнитооптический - приводит к существенному повышению чувствительности погрешности измерений к внешнему магнитному полю (например, см. уровень точности гироскопа ДУП-4 в табл. 2), что при стратегии двойного ГК является нежелательным.

С учетом сказанного для снижения шумовой составляющей измерений гироскопа на базе КЛГ с виброподвесом предлагается отказаться от виброподставки, заменив ее регулярным и контролируемым вращением гироскопа так, чтобы проекция угловой скорости на ОЧ была не нулевой и известной. В этом случае благодаря такому вращению уровень высокочастотных составляющих измерений должен быть существенно ниже, эффект захвата будет устранен, при этом влияние угловой скорости на измерения можно учесть алгоритмически. Поскольку для оценки азимута будут использоваться измерения, полученные в процессе вращения гироскопов, предлагаемый метод будем называть динамическим гирокомпасированием (ДинГК).

Отметим, что идея вращения гироскопа в гирокомпасе не нова. Еще в 1998 г. [3], правда, с иной целью было предложено вращать ВОГ вокруг оси, перпендикулярной оси чувствительности, с целью выборочной компенсации периодического дрейфа.

Естественно, для ДинГК алгоритмы обработки измерений и модель ошибок будут иными, чем для метода ДГК.

Метод динамического гирокомпасирования. Приборный состав динамического гирокомпаса следующий: два КЛГ и два акселерометра (АК) расположены на платформе, которая для проведения сеанса измерений го-ризонтируется с нормируемой погрешностью. Расположенный на ней блок КЛГ и АК с помощью двигателя может вращаться вокруг оси, нормальной к платформе, с заданной скоростью.

Оси чувствительности КЛГ образуют с платформой номинально заданные углы а1 и а2 соответственно (положительный отсчет - вверх), значения которых определяются на этапе предварительной калибровки (рисунок). Проекции ОЧ КЛГ на платформу взаимно ортогональны. Оси чувствительности АК совпадают с ОЧ КЛГ.

Угол поворота блока КЛГ-АК относительно так называемого «нулевого отсчета», соответствующего направлению линии визирования, измеряется с высокой частотой негироскопическим высокоточным датчиком относительного угла поворота (ДУП).

Методика проведения измерений для оценки угла курса состоит в следующем.

После включения прибора в течение малого времени совершается один поворот блока КЛГ-АК с фиксацией неподвижного положения (на протяжении 5 с) через каждые 45° для измерения акселерометрами невертикальности и прецессирования оси вращения блока. По этим данным для первой и второй ОЧ алгоритмически строятся зависимости углов отклонения от горизонтальной плоскости. Далее эти зависимости используются в обработке гироскопических измерений.

После совершения первого оборота без остановки в исходном положении (чтобы исключить участок разгона) осуществляется вращение блока КЛГ-АК с номинально постоянной скоростью V. Начиная с момента

58

прохождения через точку «нулевого отсчета», в темпе реального времени проводится обработка измерений КЛГ. После каждого полного оборота, контролируемого ДУП, по совокупности всех предшествующих измерений вырабатывается оценка начального значения угла курса у линии визирования.

К конструкции динамического гирокомпаса

Таким образом, измерения обрабатываются в темпе реального времени с частотой обновления, достаточной для высокоточной (критерий -требуемая точность ГК) фиксации полного оборота платформы. Оценка курса формируется только по окончании оборота. В течение сеанса ГК производится несколько оборотов. Измерения КЛГ при этом обрабатываются путем интегрирования на увеличивающемся интервале времени. Этим достигается дополнительное сглаживание получаемой оценки угла курса.

Рассмотрим модель измерений КЛГ в описанных условиях.

Пусть ОЧ первого КЛГ отклонена от горизонтальной плоскости на угол al, измеренный первым АК, а ее проекция на горизонтальную плоскость в исходном состоянии соответствует нулевому отсчету угла относительного поворота и образует с направлением на север подлежащий определению угол курса у. При вращении КЛГ вокруг оси платформы с заданной скоростью v (условно примем положительное направление вращения по часовой стрелке) мгновенные измерения первого КЛГ можно представить в виде

wx (t) = (1 + 5kx) • [Wcosj • cos(y + vt) cos ai (6) + Wsinj • sin ai(6) -

- u • sin al] + 5Wx + 5WxM (y + vt) + Xx (t), (4)

59

где 5kx - квазистационарная погрешность масштабного коэффициента КЛГ; 3QxM - магнитная составляющая ошибки измерения, зависящая от текущего азимута у + vi; t - текущее время, отсчитываемое от момента первого прохождения точки «нулевого отсчета»; ai(0) - зависимость угла между ОЧ 1 -го КЛГ и горизонтальной плоскостью от угла относительного поворота 0(i) = v-t, полученная на начальном этапе работы по измерениям АК; £,x(t) - шум измерений 1-го КЛГ.

Первое слагаемое в квадратных скобках - вклад северной составляющей угловой скорости Земли при переменном курсе при вращении блока; второе слагаемое - проекция вертикальной скорости вращения Земли на ОЧ; третье слагаемое - вклад относительной скорости вращения платформы; во второй строке первое слагаемое - постоянный и медленно меняющийся в запуске дрейф КЛГ (характерное время для оценки скорости изменения - период обращения T = 2n/v); второе слагаемое - магнитная составляющая дрейфа, величина которой зависит от текущего азимута ОЧ.

Для второго КЛГ, чья проекция оси чувствительности образует с проекцией ОЧ первого КЛГ угол р = п/2 + 5р, где 5р - погрешность установки, модель измерений аналогичная:

w z (t) = (1 + dkz) • [-Wcosj • sin(y + vi + 5p) cos a 2(6) + Wsinjx

M (5)

x sin a2 (6) - u • sin a2] + 5Wz + 5WzM (y + vi) + Xz (i),

где a2(0) - зависимость угла между ОЧ 2-го КЛГ и горизонтальной плоскостью от угла относительного поворота 0(t) = v-t, полученная на начальном этапе работы по измерениям АК. Смысл переменных здесь тот же, что и в (4), только приписываются они 2-му КЛГ.

С использованием измерений (4) и (5) интегрированием оцениваются величины косинуса cosy и синуса siny искомого угла курса и затем аналогично методу ДГК используется алгоритм (3) для вычисления угла курса в диапазоне (-п; п].

Учитывая, что аналитический анализ погрешностей измерения угла курса с использованием измерений (4) и (5) затруднен, с использованием измерений (4) и (5) для метода ДинГК в отличие от метода ДГК построена имитационная модель, с использованием которой моделированием построены численные и аппроксимирующие зависимости погрешности метода ДинГК от возмущающих факторов.

Перечислим возмущающие факторы, влияющие на точность определения угла курса по методу ДинГК:

1) методическая погрешность численного интегрирования и аппроксимации углов наклона по измерениям АК;

2) погрешность масштабного коэффициента КЛГ;

3) дрейф и нестабильность дрейфа КЛГ в запуске;

4) неортогональность проекций осей чувствительности 1-го и 2-го

КЛГ;

5) нестабильность смещения нуля АК в запуске;

6) погрешность измерения угла относительного поворота ДУП;

7) погрешность оценки используемой в алгоритме скорости вращения платформы;

8) шум в измерениях КЛГ;

9) погрешность значения широты, используемой в алгоритме.

В табл. 4 приведена оценка точности определения азимута методом ДинГК для набора характеристик разрабатываемого кольцевого лазерного гироскопа, приведенных в табл. 3.

Таблица 4

Погрешность определения азимута за 12 мин схемы гирокомпаса с постоянным вращением КЛГ на широте места 55,929 и 70°

№ Наименование возмущающего фактора Значение Погрешность определения азимута

1 Методическая погрешность численного интегрирования и аппроксимации углов наклона по измерениям акселерометров Для наклона 0,1° 0,2"

2 Погрешность масштабного коэффициента КЛГ -5 10 31"

3 Случайная составляющая нулевого сигнала КЛГ в запуске 0,001 °/ч (3°) 35"

4 Спектральная мощность плотности шума сигнала КЛГ 0,0001 °/^ч 9"

5 Изменчивость смещения нуля акселерометра 10^8 1"

6 Погрешность задания широты -5 1,5-10 рад (100 м) ~0"

7 Погрешность измерения угла относительного поворота платформы 65" 1" (°)

8 Взаимная неортогональность осей чувствительности КЛГ 10" 5"

9 Погрешность оценки угловой скорости платформы -5 2,5-10 °/с -1,5" (°)

Суммарное действие возмущающих факторов (независимое) 48"

Оценка погрешности определения азимута на широте места 70,0° 79"

Проведенный анализ достижения в методе ДинГК точности метода ДГК (см. табл. 3) в зависимости от возмущающих факторов позволил выделить наиболее значимые факторы и сформулировать следующие требования к конструкции и датчикам гирокомпаса для метода ДинГК:

1) эксплуатационные требования:

- измерения необходимо проводить для предварительно горизонти-рованной платформы с точностью до 0,1°;

- неравномерность вращения с периодом, близким к периоду вращения платформы, не допустима. Высокочастотные флуктуации заметного влияния не оказывают;

- фиксация полного оборота должна производиться аппаратными средствами и практически без погрешности;

- частота опроса и обработки данных должна быть не менее 1000 Гц;

2) требования к датчикам:

- постоянная величина смещения нуля АК и дрейфа КЛГ заметного влияния на эффективность метода не оказывает и может быть практически любой. В то же время изменчивость этих характеристик любой природы за время проведения измерений должна быть на уровне 10^ для АК и 0,0003°/ч для КЛГ;

- погрешность масштабного коэффициента КЛГ должна иметь порядок 10-6;

- допустимый уровень шума в измерениях КЛГ должен соответствовать коэффициенту случайного дрейфа 1 • 10-4 ~ 3-10"4

- чтобы исключить влияние, взаимная неортогональность ОЧ КЛГ должна быть не более 5";

- погрешность измерения ДУП угловой скорости платформы должна по уровню шума соответствовать измерениям КЛГ.

Таким образом, по ряду позиций требования к датчикам и конструкции для метода ДинГК более строгие, чем для метода ДГК. В то же время только в рамках этого метода возможно снижение уровня шума в измерениях КЛГ из-за отказа от виброподставки. Окончательное решение по целесообразности использования метода возможно принять после анализа типовых реализаций измерений датчиков.

Заключение. Таким образом, в качестве основных результатов можно выделить следующие.

1. Разработка высокоточного гирокомпаса с использованием традиционного метода двойного гирокомпасирования может столкнуться с непреодолимым препятствием в виде высокого шума измерений КЛГ с виброподвесом, что не позволит обеспечить требуемую точность курсо-определения за планируемое время работы.

2. В этих условиях возможно применение метода динамического ГК с постоянным вращением КЛГ вокруг вертикальной оси. Несмотря на то, что такая конструкция и методика обработки данных несколько повышают требования к КЛГ, в частности по стабильности масштабного коэффициента и особенно по точности учета создаваемой угловой скорости платформы, это позволяет отказаться от виброподставки и снизить шум измерений КЛГ при прочих равных условиях.

3. Реализовать повышенные требования к КЛГ, сохранив концепцию ДинГК, возможно за счет использования одного КЛГ с наклонной осью, как в схеме на рисунке, и одного - с вертикальной. Такая модификация проще схемы на рисунке конструктивно, технологически, алгоритмически и не снижает положительный эффект концепции ДинГК.

4. Для окончательного выбора схемы ГК проведенный теоретический анализ необходимо дополнить созданием опытного образца с целью проведения экспериментов и, в частности, получения типовых реализаций для КЛГ без виброподставки.

В целом, в ходе работы сформированы основные требования к основным элементам конструкции гирокомпаса. Разработка с учетом сформированных требований, а также с учетом проведенного анализа позволяет обеспечить возможность получения требуемых характеристик комплекта гирокомпаса на базе высокоточных КЛГ и акселерометров.

Список литературы

1. Шестов С.А., Мокрышев С.В. Развитие наземных гирокомпасов, построенных на основе гиротахометров // Гироскопия и навигация. 2000. №1. С. 95 - 112.

2. Гирокомпас на основе лазерного гироскопа с магнитооптическим управлением / Ю. Голяев, А. Исаев, Ю. Колбас, С. Лантратов, В. Минзар, Г. Телегин // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2006. №8. С. 66-71.

3. Малогабаритный гирокомпас на квазичетырехчастотном лазерном гироскопе / Ю.Д. Голяев, И.В. Дронов, Ю.Ю. Колбас, В.А. Прядеин, Б.Н. Шпикалов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». 2012. №3. С. 112 - 124.

4. Способ определения направления истинного меридиана и волоконно-оптический гирокомпас, реализующий способ: пат. 2 115 889 РФ. 1998. Бюл. № 33.

Норсеев Сергей Александрович, канд. техн. наук, инженер-программист, norseev@gmail.com, Россия, Ковров, АО «ВНИИ «Сигнал»,

Буров Дмитрий Алексеевич, инженер-исследователь, daburov12@,mail.ru, Россия, Ковров, АО «ВНИИ «Сигнал»,

Тютюгин Дмитрий Юрьевич, заместитель начальника НПК, tyutyugin@vniisignal.ru, Россия, Ковров, АО «ВНИИ «Сигнал»

GYROCOMPASSING METHODS FOR A HIGH-ACCURACY REMOTE

GYROCOMPASS

S.A. Norseev, D.A. Burov, D. Yu. Tyutyugin 63

The paper describes methods for improvement of metrological performance of remote gyroscopes based on ring laser gyroscopes. It also contains requirements for basic structural sensing, measuring and final elements that are specific for each measurement technique. It is proposed to apply a technique implying a continuous rotation of specifically oriented laser gyroscopes in order to improve azimuth determination accuracy.

Key words: gyrocompass, azimuth determination, ring laser gyroscope, accelerome-

ter.

Norseev Sergei Aleksandrovich, candidate of technical sciences, part-programming engineer, norseev@,gmail. com, Russia, Kovrov, JS «VNII «Signal»,

Burov Dmitrii Alekseevich, research engineer, daburov12@,mail.ru, Russia, Kovrov, JS «VNII «Signal»,

Tyutyugin Dmitrii Yurevich, deputy chief of research-and-production complex, tyutyugin@vniisignal.ru, Russia, Kovrov, JS «VNII «Signal»

УДК 681.2.088

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ДРЕЙФА НУЛЯ МЭМС-ГИРОСКОПОВ И СПОСОБОВ ЕЁ УЧЁТА ПРИ КАЛИБРОВКЕ

А.А. Крылов

Описаны свойства гироинерциального блока. Показаны физические свойства дрейфа нуля МЭМС-гироскопов. Поставлена проблема стабильности калибровки дрейфа. Проведён эксперимент по выявлению свойств нестабильности дрейфа группы МЭМС-гироскопов. Сделаны выводы о необходимой частоте калибровки, ряде параметров калибровки, а также ограничениях применения МЭМС-гироскопов, исходя из их нестабильности.

Ключевые слова: микромеханические гироскопы, калибровка ГИБов, нестабильность дрейфа нуля.

Краткий обзор гироинерциальных блоков (ГИБ) на основе МЭМС-гироскопов. ГИБ - блок, в котором реализованы три преобразовательных канала угловой скорости, обеспечивающие измерение проекций угловой скорости на взаимно ортогональных осях приборной системы координат, связанной с корпусом блока. ГИБ построен в виде моноблочного корпуса, в котором установлены три МЭМС-гироскопа (ДУС), в каждом из которых расположены микромеханические чувствительные элементы преобразователей угловой скорости. В состав ГИБ также входят платы источника вторичного электропитания и интерфейсов и микроконтроллера.

Программируемый микроконтроллер позволяет корректировать показания МЭМС-гироскопов с учетом вычисленных систематических погрешностей в реальном времени. В памяти микроконтроллера

64