CC BY
20
шельфа// «Морские интеллектуальные технологии». Спецвыпуск №1. 2013 С. 34-37.
4. Азовцев А.И., Клебанов Г.В., Лифар В.И. Разработка технического предложения и формирование облика мореходного транспортного средства на воздухоопорных гусеницах грузоподъёмностью 60 тонн для комплексного освоения побережья и замерзающего
шельфа.// Материалы девятой Международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» БЕБЯЛТ-11. Владивосток: 2011. С. 127-129.
5. Азовцев А.И., Огай С.А., Транспортное обеспечение прибрежного промысла мореходными вездеходами. В настоящем выпуске.
УДК 629.5.058.44
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ КОРРЕКЦИИ ГИРОАЗИМУТКОМПАСА
Завьялов В.В., д.т.н., профессор, профессор кафедры технических средств судовождения, ФБОУВПО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected]
Саранчин А.И., доцент кафедры технических средств судовождения, ФБОУ ВПО «Морской государственный университет им.
адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected] Перечёсов В.С., к.т.н., начальник кафедры электрооборудования судов, ФБОУ ВПО «Морской государственный университет им.
адмирала Г. И. Невельского», e-mail: [email protected]
В работе рассматриваются морские навигационные приборы гироазимуткомпасы (ГАК). Данные приборы обладают значительными методическими погрешностями, законы возникновения и изменения которых известны. В работе предлагаются варианты автоматизации ввода информации для корректирующих устройств, что повышает точность работы гироазимуткомпасов, упрощает обслуживание их в море, расширяет широтный диапазон их использования, а также автоматически рассчитывать долготу места судна. Предлагаемые усовершенствования могут использоваться в любых широтах. Кроме того, автоматическая выработка координат добавляет прибору функции автосчислителя, что повышает и надежность счисления.
Ключевые слова: гироскопический чувствительный элемент, скоростная девиация, широтная девиация, момент коррекции, высокие широты, квазигеографическая система координат, вертикальная и горизонтальная составляющие вращения Земли, меридиональная скорость судна, скорость судна по параллели, дрейф гироазимута.
IMPROVING THE EFFICIENCY SYSTEM CORRECTION GYROAZIMUTHCOMPASS
Zavyalov V., doctor of technical Sciences, professor, professor of the Navigation Technological tools chair, FSEIHPE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi», e-mail: [email protected]
Saranchin A., assistant professor of the Navigation Technological tools chair, FSEI HPE «Maritime State University named after admiral
G.I.Nevelskoi», e-mail: [email protected]
Perechyosov V., Ph.D., head of the Ships Electrical Equipment, FSEI HPE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi»
The article describes marine navigation devices gyroazimuthcompass. This devices have greatly methodic errors, the principles of appearance and change are known. In the work, options for the automation of information input for corrective devices, which increases the accuracy of gyroazimuthcompass, for easy maintenance on the high seas, extends the latitudinal range of their use and also to automatically calculate the longitude of the place of the ship. Improving performance can be used for all latitude sailing. To addition device acquires new function to carry out autocalculation.
Keywords: gyroscopic sensitive element, speed deviation, latitude deviation, correcting moment, nearpole latitude, quasygeographic coordinating system, vertical and horizontal angular Earth speed, meridian ships speed, geographic paralleling ships speed, gyroazimuthcompass drift.
Гироскопические курсоуказатели (ГКУ) и гироазимуткомпасы (ГАК) в режиме гирокомпаса (ГК) имеют широтную и скоростную девиацию. Для осуществления скоростной коррекции к гироскопическому чувствительному элементу (ЧЭ) гироазимуткомпаса и гиро-курсоуказателя прикладывается вертикальный корректирующий момент (коррекция по высоте)
L =
kz R0
0 , (i)
Vn
где Jv - меридиональная составляющая скорости судна;
0 - радиус Земли.
VN
Поскольку значение Jv постоянно вырабатывается по данным скорости судна, то приращение широты во время плавания находится простым интегрированием
T
Лф = J VNdt
To
Далее для постоянной коррекции широты достаточно просуммировать полученный результат с ранее введенной широтой
ф Т = ф + Лф
(2)
ф
В модернизированном гироазимуткомпасе «Вега-М» (ГАК «Вега-С» с цифровой системой управления и коррекции) установлен узел автоматической коррекции широты.
Широтную коррекцию осуществляет горизонтальный корректирующий момент (коррекция в азимуте)
V,
Нс0 sin ф + H^tgty = Ly
(3)
Я>
где Я - кинетический момент гироскопа;
ю0
0 - угловая скорость вращения Земли в инерциальном пространстве;
Ф
т - широта плавания;
VE
а - линейная скорость движения судна по параллели;
Я0
о - радиус Земли;
^ - горизонтальный (азимутальный) корректирующий момент; При использовании названных гироскопических приборов в режиме гироазимута (ГА), осуществляется только широтная коррекция
[1].
Яю 0 Бт ф
- первая составляющая корректирующего момента, вызванная вертикальной составляющей угловой скорости вращения Земли (угловой скорости вращения меридиана в горизонтной системе координат);
Lft 2 = Н^Ф = HVsin ф
R RC0s ф (4)
- вторая составляющая корректирующего момента, вызванная вертикальной составляющей угловой скорости вращения судна при его движении по параллели (угловой скорости вращения меридиана вследствие движения судна по параллели). В данной составляющей
R0 cos ф = r
величина: - радиус параллели места судна;
VE^.
Я (5)
- вертикальная составляющая угловой скорости вращения судна, при его движении по параллели (вращение меридиана в горизонтной системе координат вследствие движения судна по параллели);
VE ю
О-= Ю Е 0
Яо С08 ф (б)
- полный вектор угловой скорости вращения судна вокруг оси Земли (в инерциальном пространстве), вследствие его движения по параллели.
Удержание чувствительного элемента в плоскости горизонта осуществляется вертикальным моментом, который формируется по данным физического маятника - индикатора горизонта (ИГ) или акселерометра, измеряющие отклонение ЧЭ по высоте.
В настоящее время надводные суда имеют возможность достигать районов северного полюса, следовательно, реальным становится вопрос промышленного освоения Арктики. Таким образом, проблемы обеспечения плавания судов в арктических широтах приобретают особую актуальность. К таким проблемам, в частности, относится техническая задача повышения точности работы и степени автоматизации курсоуказания в высоких и приполюсных широтах. В этих широтах, как известно, не работают ни магнитные компасы, ни гирокомпасы, поэтому судно по курсу управляется только от гироазимута.
Для ведения графического счисления в диапазоне широт 80е - 85е используются морские карты как в географической, так и в квазигеографической системах координат. В указанном диапазоне широт переходят к ведению счисления из географической системы координат в квазигеографическую, поскольку в широтах выше 85е морские карты существуют только в поперечной меркаторской проекции (в квазигеографической системе координат). Для перехода от географического курса ГК судна к квазикурсу К используется формула
Kg = ГК + Q
Q
где - угол перехода, то есть угол между квазимеридианом и географическим меридианом, и равный, без учета сжатия Земли, географической долготе ^ места судна в градусах:
Q = Х
С этого момента выработка вышеназванной второй составляющей корректирующего момента прекращается, так как теперь квазиполюс находится на квазиэкваторе в новой системе координат, следовательно, вращение квазимеридиана от движения судна по квазипараллели не происходит. Таким образом, в квазигеографической системе координат вырабатывается только вышеназванная первая составляющая корректирующего момента:
Ясо0 sin ф = L
'kyl
(7)
вызванная вертикальной составляющей угловой скорости вращения Земли.
Однако вертикальная составляющая от движения судна по параллели сказывается на точности работы прибора. Дело в том, что в
Q
принципе, для обеспечения курсоуказания угол перехода , введенный в схему гироазимута в точке входа в квазигеографическую систему координат менять не нужно, так как ЧЭ удерживается в квазимеридиане первой составляющей корректирующего момента. В этом
ДQ
случае в текущем месте судна гироскопический ЧЭ отклонен от географического меридиана на величину угла , равного разности
Qт Q
угла перехода 1 в текущем месте судна и угла перехода , введенного в точке входа в квазигеографическую систему координат:
ДQ = Qт - Q ДQ
т . При достижении угла значения больше 20е на точность работы ГАК начинает сказываться вертикальный
дрейф гироскопа, так как схема вертикальных моментов не справляется с его удержанием в плоскости горизонта. В связи с этим ЧЭ не-
Qt
обходимо корректировать вручную, то есть выставлять его в плоскость географического меридиана и вводить новый угол перехода , соответствующий данной точке.
В гироазимуткомпасе «Вега» для судов арктического плавания была попытка избавиться от этого недостатка. Обычная электромеха-
tg ф
ническая схема способна вычислять значение момента (3) до широт 80е, а далее с увеличением широты функция т стремительно возрастает вплоть до бесконечности на полюсе, и схема не справляется с вычислениями. Пришлось применить особую электромеханическую схему выработки в высоких широтах данного корректирующего момента. Но и она по той же причине ограничена широтой 88е. Таким образом, избежать частой ручной коррекции гироазимута не удалось. Кроме того, в связи с отсутствием автоматической выработки долготы, текущий квазикурс все равно не вырабатывается, поэтому с началом ведения счисления в квазигеографических координатах эту особую схему приходится отключать.
В настоящее время применение новой элементной базы и электронных схем позволяет решить проблему вычисления этого момента, но для высоких широт остается проблема вычисления текущей географической долготы. То есть схема ГАК должна значительно усложниться. Однако, если отказаться от принятого традиционного подхода, то эти задачи можно решить намного проще, даже применением электромеханических схем.
Предлагается следующий путь. Для расчета угловой скорости (5), а с ней и корректирующего момента (2) используется радиус параллели
r = R0 • cos ф
Дф
(8)
Однако этот радиус может быть рассчитан и другим способом с использованием углового
А (рис 1) на пяраллели текущей широты ^т
l
раллели места судна до полюса. Допустим, судно находится в точке ^ (рис. 1) на параллели текущей широты
AON l Фт
угол при центре Земли, опирающийся на дугу меридиана от текущей параллели т до полюса, равен
А П
ДФ = — "Ф Г
Тогда длина названной части меридиана будет представлена согласно следующему выражению [2]
l = R0 Дф
где 1 - длина дуги меридиана от текущей параллели ц до полюса;
R0 т
0 - радиус Земли;
и линейного дополнения от па-
фт
то, соответственно,
Рис. 1. Расчет радиуса параллели по расстоянию до полюса.
Аф l фт
т - угол при центре Земли, опирающийся на дугу " или угловое расстояние от параллели текущей широты 1 до полюса.
,ник AON OA = ON = R0 OK
Отрезок ^^ являете
AOK = KON = Аф/ 2
AN AN = 2 R^sin Аф/ 2
Тогда расстояние до полюса по прямой * равно 0 ' . В этом случае справедливым является соотноше-
Треугольник равнобедренный, поскольку две его стороны равны радиусу Земли
«0 . ок
Отрезок ^^ является высотой и медианой, следовательно, углы
ние
R0 Аф Аф
AN 2R0 sin Аф/ 2 sin Аф/
откуда
sin Лф2
AN = 2l-
Лф
Треугольники AOD и BAD подобны так как все их одноименные стороны взаимоперпендикулярны. Исходя из их подобия, проведя незначительные преобразования, получим радиус параллели
l sin Лф
r =-—
Лф . и
Угловая скорость вращения судна от его движения по параллели, направлена по оси вращения [3], то есть по оси Земли и равна
VE VеЛФ
W £ 0
r l sin Аф
Y . (10)
Из треугольника найдем ее вертикальную составляющую (угловую скорость вращения меридиана в горизонтной системе
координат),
w E =—--Sin ф
l sin Аф
а с ней и рассматриваемую часть корректирующего момента
AFE _.......________,........
Ve Лф
- sin ф
1 , (11)
VE Лф .
lk 2 = H E sin ф l sin Лф
, (12) Формулы (4) и (12) полностью идентичны во всем диапазоне широт и являются вертикальной составляющей угловой скорости движения судна по параллели, то есть угловой скорость вращения меридиана относительно вертикали в горизонтной системе координат. В расчетах они дают совершенно одинаковый результат вычисления угловых скоростей в пределах принятых округлений элементов референц-эллипсоида Красовского, что проверено как ручными расчетами, так и расчетами с помощью программы Mathcad. Такой результат естественен, поскольку формулы обратимы. Действительно
Лф
С этой точки зрения в схемах коррекции их применимость равнозначна. Однако предлагаемая формула имеет ряд преимуществ [7,
8].
1. Формула более удобна при использовании в аналоговых электромеханических вычислительных схемах, поскольку в ней отсутствует
tg ф
величина , стремящаяся в высоких широтах к бесконечности.
Лф ~ sin Лф
2. Более того формула допускает значительное упрощение, поскольку для малых углов .
3. В принципе формула аппаратно решаема и на полюсе, так как знаменатель и числитель равны нулю.
4. Главным преимуществом предлагаемой формулы является возможность ее применения для аппаратного расчета долготы места
ЮЕ П
судна, так как в ее состав входит угловая скорость а П вращения судна относительно оси Земли:
l
ГЕ Дф
юЕ 0 =—
I 81п Дф , (13)
которая является скоростью изменения долготы при движении судна по параллели.
Следовательно, приращение долготы можно получить простым интегрированием выражения (13), при этом необходимо учесть переходный коэффициент интегрирующее устройство без учета сжатия Земли рассчитывает приращение долготы:
2
Д^ = 57,3 Е 0 ¡г
т
тх
т
, 2
где ± и ^ - пределы интегрирования, определяемые временем начала и окончания плавания судна по параллели. Внедрение предлагаемых в работе усовершенствований позволяет повысить эффективность использования ГАК и ГКУ, поскольку приводит к следующим достижениям:
- приобретение дополнительной функции приборов - функции автосчислителя, поскольку автоматически вырабатываются координаты места судна. Это обстоятельство, в свою очередь, повышает надежность счисления;
- повышение надежности работы самих приборов, так как наряду с традиционной схемой коррекции, вводится схема автоматической выработки навигационной информации, работающая параллельно и способная при необходимости заменить традиционную;
- повышение точности работы приборов, так как входная информация для формирования корректирующих моментов непрерывно обновляется, следовательно, их текущее значение всегда соответствует фактическому положению судна. Например, внедрение данных
±0 1°
схем в ГАК «Вега-С» позволило на стендовых испытаниях достичь в режиме «Гирокомпаса» точности показаний , а нескомпен-
±0,05 °/ час
сированного дрейфа в режиме «Гироазимута» , что на порядок превосходит существующие аналоги;
- расширение возможностей использования приборов в высоких широтах, в том числе, при ведении счисления в квазигеографических координатах.
Литература:
1. Смирнов Е. Л., Яловенко А. В., Якушенков А. А. Технические средства судовождения. Теория. - М.: Транспорт, 1988. - 376 с.
2. Математический энциклопедический словарь. - М.: «Советская энциклопедия», 1988. - 848 с.
3. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. - М.: «Наука», 1985. - 512 с.
4. Саранчин А. И., Перечесов В. С., Завьялов В. В. Автономная автоматическая коррекция широты гироазимуткомпаса. - Владивосток: РПК МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2010. - 58-63 с.
5. Паластров В.Ф. и др. Навигация. - М: Воен. издат. МО, 1967. - 792 с.
6. Саранчин А.И., Перечесов В.С., Бирюк А.О. Патент РФ № 2419767 от 27 мая 2011 г.
7. Саранчин А.И., Перечесов В.С., Завьялов В.В., Бирюк А.О. Патент на изобретение № 2470260. Заявка № 2011123044/28/(034151), положительное решение с приоритетом от 07.06.2011. Зарег. 20.12.2012.
8. Саранчин А.И., Перечёсов В.С., Завьялов В.В., Бирюк А.О.Пути автоматизации систем управления и коррекции гироазимуткомпасов. Вестник морского государственного университета. Вып. 53. Серия: Судовождение. - Владивосток : Мор. гос. ун-т, 2012.- С.70-87.
