CC BY
123
ф£стА
Рис. 5. Макет системы управления асинхронным реверсивным двигателем
и пользой могут работать студенты механических специальностей.
Библиографический список
1. Евстифеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Classic фирмы Atmel / А.В. Евстифеев. - М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2004 - 288 с.
2. Троицкий, А.А. Применение технологии САПР/ АСУТП в учебном процессе / А.А. Троицкий //Автоматизация и компьютеризация информационной
техники и технологии: науч. тр. - Вып. 308. - М.: МГУЛ, 2000, - 220 с.
3. Троицкий, А.А. Технические средства автоматизации и управления: лабораторный практикум / А.А. Троицкий. - М.: МГУЛ, 2007. - 75 с.
4. Сайлер, Брайн, Споттс, Джеф. Использование Visual Basic 6. Специальное издание.: Пер. с англ / Сайлер, Брайн, Споттс, Джеф. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2005.- 832 с.
5. //www.atmel.ru
6. // www.hpinfotech.com
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕБАЗИРУЕМЫМ КОМПЛЕКСОМ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕрЕНИЙ С Использованием
системы глонасс и волоконно-оптических гироскопов
В.Д. БУРКОВ, проф. каф. информационно-измерительных систем и технологии приборостроения МГУЛ, д-р техн. наук,
A. Е. ОРЛОВ, асп. каф. информационно-измерительных систем и технологии приборостроения МГУЛ,
B. С. ШАЛАЕВ, проф. МГУЛ, д-р техн. наук
Анализ направлений модернизации и создания новых измерительных комплексов показывает, что полное решение задач ИТО невозможно без создания в их составе пере-
burkov@mgul.ac.ru
базируемой компоненты, позволяющей оперативно изменять конфигурацию комплекса применительно к особенностям конкретного пуска. При этом немаловажное значение име-
160
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
ет резкое сокращение экономических затрат за счет отказа от строительства и содержания стационарных зданий и сооружений и организации вахтового метода применения ПКТИ.
В 2005-07 гг., в рамках концепции по формированию единого государственного наземного комплекса управления и измерений (ЕГ НАКУ и И), были сформулированы современные принципы подхода к построению перебазируемых измерительных комплексов. Основными из них являются: 1) функциональная универсальность - способность выполнять целевые задачи в составе измерительных комплексов изделий РКТ при различных вариантах функционального включения; 2) функциональная автономность - способность самостоятельного решения всего комплекса задач обеспечения и целевого применения; 3) транспортабельность - возможность экономичной транспортировки в рабочую точку всеми видами транспорта с соблюдением установленных правил перевозок, в том числе международных; 4) оптимизация критерия «цена-качество» за счет конструктивной компоновки, выбора современных базовых элементов и систем, гибкой архитектуры аппаратно-программного комплекса; 5) модульность построения, высокая степень «заводской готовности», возможность изменения конфигурации и модернизации под конкретные задачи; 6) информационная совместимость с с мультисервисными системами связи и передачи данных ИКК космодромов, полигонов и НАКУ.
В 2010 г. ОАО «НПО ИТ» в рамках программы «Днепр» разработан и изготовлен перебазируемый комплекс телеметрических измерений (ПКТИ) 15Н2181. Комплекс с положительными результатами прошел весь цикл испытаний, принят на вооружение и в настоящее время находится в составе измерительных средств 4 ГЦМП.
Принципы построения, состав и характеристики аппаратурно-программных средств комплекса позволяют с полным правом отнести его к классу универсальных. Основные характеристики комплекса представлены в [3].
Внешний вид комплекса в развернутом в позиционном районе «Домбаровский» положении показан на рис.1.
---------------------------Л^ф&ст
Задачи системы управления (СУ) ПКТИ, вытекающие из задач и условий размещения и применения комплексов
В настоящее время основное применение перебазируемых комплексов - это получение с их помощью ТМИ на необорудованных приемными радиотелеметрическими системами и комплексами трассах полета ракет-носителей и разгонных блоков в различных районах территории Земли, в том числе и в акватории Мирового океана.
В таких проектах, как создание измерительного комплекса космодрома Восточный, вопрос приема телеметрической информации в акватории Японского моря при запусках пилотируемых КА стоит очень остро. Система управления ПКТИ должна обеспечивать:
1. Определение географического положения комплекса и координаты в пространстве для выполнения целеуказаний для наведения антенны и приема информации.
2. Определять условия эксплуатации комплекса: температурно-влажностный режим
Рис. 1. Общий вид перебазируемого комплекса телеизмерений на позиции в позиционном районе Домбаровский
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
161
в районе размещения ПКТИ, силу и направление ветра, атмосферное давление и т.п.
3. Обеспечивать при необходимости дистанционное управление комплексом с использованием внешних каналов связи.
4. Поддерживать антенну или весь комплекс в положении, обеспечивающим прием ТМИ - направление диаграммы направленности антенны на объект с учетом получения наибольшей мощности входного сигнала на входе в приемное устройство, при наличии существенных колебаний поверхности, на которой он установлен, т.е. в условиях морской качки.
Решение перечисленных задач может быть обеспечено путем использования в составе системы управления ПКТИ системы ГЛОНАСС и в условиях морской качки бесплатформенной навигационной системы на основе волоконно-оптических гироскопов. В качестве исполнительного механизма для преодоления морской качки может быть применена Платформа Стюарта.
Применение системы ГЛОНАСС
Глобальная навигационная спутниковая система Глонасс, как показано в [8] и [9], предназначена для глобального и оперативного определения положения и скорости неограниченного числа подвижных объектов, находящихся в любой точки поверхности Земли, воздушного и космического пространства.
Система обеспечивает возможность в любой точке Земного шара и околоземного космического пространства оперативно в течение одной-двух минут после включения навигационной аппаратуры пользователя и затем непрерывно проводить высокоточные навигационные определения с предельными погрешностями, не превышающими 50-70 м по положению и 15 см в секунду по скорости. Одновременно система позволяет осуществлять привязку шкалы времени пользователей к Государственной шкале единого времени с погрешностью не более одной микросекунды. При реализации в аппаратуре пользователей специальных методов обработки навигационной информации использовании дифференциальных режимов
работы, точность определения местоположения пользователей существенно повышается. Испытания показали, что предельные погрешности в этом случае не превышают единиц метров.
Принцип навигации пользователей системы, находящихся в непрерывном радионавигационном поле, создаваемом космической навигационной системой (КНС), основан на определении в любой момент времени своего положения и скорости относительно навигационных космических аппаратов (НКА). Радионавигационные сигналы непрерывно излучаются каждым навигационным космическим аппаратом, входящим в орбитальную группировку. Эти сигналы в беззапросном режиме принимаются аппаратурой пользователя и по ним определяется относительная псевдодальность и псевдоскорость (скорость изменения псевдодальности). Псевдодальность определяется по времени запаздывания сигнала на пути НКА
- пользователь (по сдвигу фазы принятого от НКА сигнала относительно опорного сигнала генератора хранителя частоты и времени аппаратуры пользователя), а псевдоскорость
- по доплеровскому сдвигу частоты принятого сигнала. С использованием измеренных значений псевдодальности и псевдоскорости решается навигационная задача и определяются местоположение пользователя и скорость его движения. Благодаря применению на борту каждого НКА атомных стандартов частоты в системе обеспечивается взаимная синхронизация радионавигационных сигналов, излучаемых НКА, относительно наземного высокостабильного атомного стандарта, выполняющего функцию системного эталона частоты и времени. С использованием наземного эталона частоты и времени и высокостабильных бортовых стандартов частоты поддерживается синхронизированное для каждого НКА системное время.
В результате сравнения измеренных и расчетных значений измеряемых параметров навигационная аппаратура определяет свое местоположение, скорость и смещение собственной шкалы времени относительно шкалы времени системы Глонасс.
162
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
ДфЭст
Рис. 2. Структурная схема системы управления ПКТИ
Точность определения пользователем местоположения и скорости обусловлена погрешностями, связанными с особенностями измеряемых приемниками пользователей параметров и способами их математической обработки - решения навигационной задачи.
Остановимся на возможной структурно-функциональной схеме системы управления ПКТИ и путях решения задачи управления комплексом. Вариант структурной схемы системы управления ПКТИ представлен на рис. 2.
При эксплуатации комплекса в нормальных условиях, когда объект установлен на относительно горизонтальной площадке и эта площадка не подвергается существенным колебаниям, работает навигационно-геодезический комплекс.
Навигационно-геодезический комплекс в составе ПКТИ обеспечивает:
- определение в реальном масштабе времени трехмерных координат местонахождения ПКТИ в геоцентрической системе координат с ошибкой, не превышающей 15,0 м,
определение высоты с ошибкой, не превышающей 20,0 м;
- определение направления на Север с точностью не превышающей 30 уг.мин;
- формирование импульса временной привязки с погрешностью, не превышающей 1 мс и выдачу меток времени в ЛВС;
- отображение в графическом и цифровом виде на экране АРМ оператора ПРА необходимой информации: результатов навигационных определений, состояния рабочих каналов и т.д.;
- навигационно-геодезическая аппаратура должна строиться на базе серийной отечественной аппаратуры и обеспечивать работу со структурами сигналов систем «Глонасс»/»GPS».
В случае применения ПКТИ с установкой на морском судне, для получения информации о полете ракеты в акватории моря с информации, получаемой навигационно-геодезическим комплексом, необходимо иметь высокоточные измерения перемещений поверхности антенны по отношению к геоцен-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
163
фйстД
трической системе координат (к поверхности палубы судна). Эта задача может быть решена путем установки антенного полотна на платформу, в виде так называемой платформы Стюарта [6] и управления ее положением с помощью информации об угловых скоростях изменения положении платформы, получаемой от волоконно-оптических гироскопов.
Положение и ориентация платформы Стюарта регулируется за счет целенаправленного изменения длины стержней, на которые она опирается, и соответствующего изменения углов их наклона к основанию.
Для управления работой платформы Стюарта, на которой укреплена антенна ПКТИ, необходима информация от датчика угловой скорости, в качестве которого предлагается использовать волоконно-оптические гироскопы.
Наиболее оптимальным решением при создании датчика угловой скорости является применение интерферометрических волоконно-оптических гироскопов. В связи с этим ниже коротко приводятся основные данные по ВОГ и принципах его работы, которые необходимо учитывать при разработке БИБ.
Принцип действия ВОГ основан на эффекте Саньяка. Как показано в [1], по замкнутому оптическому пути свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью Q, между световыми волнами возникает разность фаз. Это явление называется эффектом Саньяка.
Величину разности фаз можно вычислить по следующему выражению
Ы,.
сХ
x,y,zy
где Дфсхуг - разность фаз Саньяка волоконнооптического контура;
S - площадь;
ю - угловая частота встречных волн;
X - длина световой волны;
С - скорость света;
N - число витков в волоконно-оптическом контуре;
Q - угловая скорость вращения объекта, на котором закреплен волоконнооптический контур.
В настоящее время в основном известны три типа волоконно-оптических гироскопов [1-5]:
- цельноволоконный гироскоп без обратной связи на основе одного пьезо-электрического фазового модулятора;
- волоконно-оптический гироскоп с обратной связью с применением интегрально-оптического модулятора;
- волоконно-оптический гироскоп с обратной связью на основе двух пьезо-электрических фазовых модуляторов.
Однако на практике реально нашли применение два первых типа гироскопов.
В целом стоимость разработки и технологической отработки волоконно-оптического гироскопа с обратной связью с применением интегрально-оптического модулятора существенно больше по сравнению с гироскопом без обратной связи. Основным преимуществом ВОГ с обратной связью является линейный выход информации и потенциальная возможность обеспечения точности масштабного коэффициента на уровне, соизмеримом с точностью лазерного гироскопа.
Другим принципиальным свойством ВОГ является технология его изготовления сварная или цельноволоконная.
Сварная технология предполагает наличие специального дорогостоящего оборудования для сварки предварительно ориентированных в пространстве отдельных оптических деталей, оканчивающихся волокном. При этом возникают дополнительные потери излучения на стыках, минимизация которых существенно усложняет оптическую часть ВОГ. В то же время данная технология позволяет использовать оптические детали различных производителей, что доставляет гибкость при конструировании ВОГ.
Цельноволоконная технология не имеет этих недостатков, при этом в мире ею владеет только фирма ОАО «Физоптика», т.е.
164
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
чисто российская технология, при этом изготовление оптической части ВОГ реализуется только для схемы ВОГ без обратной связи.
Опыт НПО ИТ по разработке малогабаритных БИБ и БИНС на основе ВОГ собственной разработки, использующих цельноволоконную технологию оптической части, показывает, что на этой основе возможно создание большого ряда приборов, удовлетворяющих практически всем современным требованиям.
Для повышения чувствительности в цельноволоконном ВОГ применяется метод фазовой модуляции. Пьезоэлектрический модулятор создает дополнительный фазовый сдвиг за счет периодического растяжения и сжатия участка волоконного контура.
Рассматривая альтернативные варианты ВОГ, которые могли быть использованы в нашем случае, следует прежде всего остановиться на ВОГ с эрбиевыми волоконными источниками. Как показано в [2], применение эрбиевых волоконных источников в ВОГ позволяет существенно улучшить точностные и эксплуатационные характеристики ВОГ различных классов точности и стоимости, реализованных в настоящее время с супер-люминисцентными диодами. Рабочая длина волны, для которой оптические волокна имеют повышенную радиационную стойкость, высокий ресурс и надежность, делают ВОГ с эрбиевыми источниками наиболее привлекательными для использования в системах длительного космического базирования. На основе эрбиевых источников разрабатываются ВОГ очень высокой точности до 10-5 град/час. Это связано с большей мощностью излучения в волокне, что обеспечивает более высокое отношение сигнала к шуму. Кроме того, высокая стабильность спектра эрбиево-го источника позволяет снизить погрешность масштабного коэффициента ВОГ в диапазоне температур среды.
Здесь приведены его основные характеристики.
- Пороговая чувствительность 2 град/ час-(Гц)1/2.
- Дрейф нуля 1,4 град/час в течение 8000 с (усреднение 300 с).
- Линейность выходной характеристики 3,2 % в диапазоне 0... ±5 град/с.
- Стабильность масштабного коэффициента 5 % на интервале времени 2 ч.
Кроме того, проведено сравнение волоконно-оптического гироскопа, применяемого в настоящее время в системах ОАО «НПО ИТ» с ВОГ бесплатформенного инерциального блока на базе поплавковых интегрирующих гироскопов [7]. Сравнительные характеристики представлены в таблице.
Рассматривая приведенные в таблице характеристики, можно отметить, несмотря на более высокую стабильность поплавковых гироскопов, существенно более широкий диапазон измерений при значительно меньшей массе системы предполагает выбор в пользу ГИВУС.
Очевидно, достоинства ВОГ с эрби-евыми источниками в дальнейшем обратят на себя внимание разработчиков. Таким образом, в ОАО НПО ИТ был выбран представленный выше вариант с учетом относительной простоты построения схемы и достижения требуемых массово-габаритных характеристик.
Применение системы управления комплексом с использованием системы ГЛОНАСС и волоконно-оптических гироскопов позволит существенно расширить известные возможности ПКТИ по приему ТМИ на необорудованных трассах полета ракеты и решить задачу получения ТМИ в условиях размещения на морских судах при наличии морской качки.
Таблица
Сравнительные характеристики
Характеристики ГИВУС ГИВУС на базе поплавковых гироскопов КИНД34-064
Диапазон измерений входной угловой скорости, град/с 10 2
Стабильность нулевого сигнала в запуске 24 ч, град/час 0,2 0,007
Срок эксплуатации, лет 10 15
Масса, кг 0,65 10
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
165
