Автоматизация калибровки бесплатформенных инерциальных навигационных систем на волоконно-оптических гироскопах

Прогноз применения инерциальных датчиков в перспективе до 2020 г., сделанный американским ученым Н. Бабуром, показывает, что для стратегических применений волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) должен стать доминирующим в ракетной, авиационной, наземной и морской навигационной технике.

По данным зарубежной печати в будущем в США около 50% гироскопов, используемых в системах навигации, управления и стабилизации объектов различного назначения, предполагается заменить волоконно-оптическими гироскопами.

Наиболее важными характеристиками ВОГов являются высокая чувствительность, большой диапазон измерений, малый дрейф нуля из-за старения и воздействия температуры, малый случайный дрейф, линейность масштабного коэффициента, отсутствие погрешностей при маневрировании объекта, свойственных гироскопам с механическим подвесом.

Последние ошибки особенно существенно влияют на точность работы бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), когда инерциальные измерители крепятся непосредственно к объекту.

Появление идеи и первые конструкции ВОГа тесно связаны с разработками кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ). Однако ВОГ имеет целый ряд преимуществ по сравнению с КЛГ, основным из которых является существенное повышение ресурса. Лазерный луч, ударяющийся о зеркало, что имеет место в КЛГ, постепенно ухудшает его отражательную способность и, в конце концов, приводит к износу. Этот процесс старения, известный в зарубежной литературе как эффект ослабления гетеродина, приводит к определенному ограничению срока службы КЛГ. В волоконно-оптическом гироскопе лазерный луч заменен на лазерный свет, который не является одномодовым. Этот свет распространяется в волоконном контуре без применения зеркал и, следовательно, в этом случае не существует эффекта ослабления гетеродина. Этим преимуществом ВОГа перед КЛГ и определяется интерес разработчиков к данному типу гироскопа при конструировании навигационной техники.

Одним из основных условий построения прецизионных бесплатформенных навигационных систем является обеспечение их высокоточной калибровки, которая заключается в определении систематических погрешностей инерциальных измерителей (ИИ).

В связи с этим исследования, посвященные вопросам повышения точности определения систематических погрешностей инерциальных датчиков БИНС на ВОГах, являются весьма актуальными.

До настоящего диссертационного исследования процесс калибровки БИНС строился на использовании математических моделей ошибок только самих инерциальных измерителей без применения математической модели всей системы.

Применение математической модели ошибок системы в полном объеме для целей калибровки предлагается впервые.

Выполнение калибровки БИНС с использованием математической модели ошибок самой системы стало возможным в связи с появлением в составе калибровочных стендов высокоточных наклонно-поворотных столов (НПС), обеспечивающих точность углового позиционирования БИНС до 2−3 угловых секунд.

Сигналы инерциальных измерителей имеют существенную шумовую составляющую, с которой при обработке и расчете калибровочных коэффициентов приходится бороться, используя различные способы подавления с применением специальных фильтров.

При калибровке с использованием математической модели ошибок системы уровень шумов в выходных сигналах БИНС на несколько порядков ниже, так как сама система, имеющая основную частоту, соответствующую шулеровским колебаниям с периодом 84,4 мин, является фильтром для шумовых составляющих сигналов ИИ.

Кроме того, при калибровке используются бортовые навигационные алгоритмы системы, которые обычно строятся с использованием упрощений и приближений, что позволяет в определенной степени учесть эти упрощения и повысить точность определения калибровочных коэффициентов.

Данное исследование как бы закрывает существовавшую брешь в данной области науки и уже потому является актуальным.

Целью настоящей диссертационной работы является повышение точности бесплатформенных инерциальных навигационных систем путем создания автоматизированной системы определения калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей БИНС с использованием математической модели ошибок системы.

Решение данной проблемы заключается в использовании при определении калибровочных коэффициентов выходных сигналов БИНС вместо зашумленных сигналов инерциальных измерителей.

Достижение поставленной цели сводится к постановке и решению следующих основных задач:

• анализ существующих способов калибровки БИНС;

• построение и обоснование математических моделей ошибок инерциальных измерителей БИНС на волоконно-оптических гироскопах;

• построение и анализ математической модели ошибок БИНС для целей калибровки;

• разработка алгоритма управления НПС в соответствии с выбранными математическими моделями ошибок инерциальных измерителей и БИНС;

• разработка алгоритмов определения калибровочных коэффициентов ИИ по математической модели ошибок БИНС;

• имитационное моделирование процесса калибровки БИНС с использованием математической модели ошибок системы;

• разработка функциональной схемы автоматизированной системы калибровки БИНС и структуры ее программно-математического обеспечения.

Объектом исследования являются бесплатформенные инерциальные навигационные системы. Эта область научных исследований достаточно широка и включает в себя исследования по повышению точности существующих и созданию новых более точных ИИ, поиск путей совершенствования навигационного алгоритмического и аппаратного обеспечения БИНС, исследования по повышению точности определения и учета систематических погрешностей инерциальных измерителей, определяемых в процессе калибровки и т. д.

Предметом исследования является поиск более точного и менее затратного способа калибровки и разработка на его основе автоматизированной системы калибровки БИНС на волоконно-оптических гироскопах.

Методологическую и теоретическую основу исследований, проведенных в работе, составили научные труды отечественных и зарубежных авторов.

Из отечественных ученых, внесших наиболее весомый вклад в данную область исследований, следует прежде всего указать на труды проф. Андреева В. А. [1], заложившего основы теории инерциальных систем, и проф. Парусникова H.A. [2], предложившего оригинальный подход к методике построения математической модели ошибок инерциальных систем. В работах д.т.н. Харина Е. Г. представлен алгоритм комплексной обработки информации, зарегистрированной в ходе летных испытаний [3]. Алгоритм предназначен для автоматизированного анализа характеристик погрешностей систем навигации.

Калибровка БИНС является специфической областью научных исследований, составляющая существенную часть технологии их производства. Поэтому научные исследования по калибровке освещены в научных изданиях очень мало. Некоторые приемы калибровки динамически-настраиваемых гироскопов описаны в трудах д.т.н. Брозгуля [4].

При выполнении исследований автор опирался на разработки и методики проведения калибровочных работ ведущих отечественных научно-производственных организаций и предприятий, таких как НИИПМ им. акад. Кузнецова В. И. (г.Москва), ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» (г. Раменское Московской области), ЦНИИ «Электроприбор» (г. С.-Петербург).

Были использованы результаты и опыт научных исследований в данной области сотрудников «Лаборатории управления и навигации» механико-математического факультета МГУ им. Ломоносова М. В., руководимой проф. Голованом A.A. [5], [6], [7].

Использовались также результаты научных исследований, проводимых в ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПНППК) (г. Пермь) [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16].

На основании работ по математическому моделированию процессов изготовления специальных оптических волокон, проводимых под руководством зав. кафедрой «Прикладной математики» Пермского государственного технического университета проф. Первадчука В. П. были сформулированы основные подходы к построению математической модели ошибок волоконно-оптического гироскопа.

Результаты работ доцентов кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы летательных аппаратов» Пермского государственного технического университета Николаева С. Г. и Колеватова А. П. по способам проведения калибровочных работ и построению бортового программного обеспечения БИНС использованы при разработке способа калибровки БИНС с использованием математической модели ошибок системы, применяя бортовое программно-математическое обеспечение системы.

Из зарубежных исследователей необходимо отметить научные труды P. Savage, D. Tittetron, J. Weston, J. Topping, A. Brown, D. Joos, R. Ebner, J. Mark с освещением различных аспектов и вопросов калибровки, которые также учитывались автором.

Рассматриваемые в диссертационной работе задачи решаются с использованием методов и математического аппарата теории инерциальной навигации, теории линейных дифференциальных уравнений, теории АСУП, методов системного анализа, методов имитационного и натурного моделирования.

Информационную базу исследования составили:

• научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций и семинаров;

• патенты и авторские свидетельства;

• методики калибровки различных организаций;

• материалы и сайты различных организаций;

• рекламные материалы и маркетинговые исследования;

• результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:

• впервые предложен способ калибровки бесплатформенных инерциальных навигационных систем с использованием математической модели ошибок БИНС;

• разработана математическая модель ошибок БИНС на волоконно-оптических гироскопах для определения калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей системы;

• разработан общий алгоритм процесса калибровки БИНС с использованием математической модели ошибок системы;

• разработаны алгоритмы определения калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей в соответствии с их математическими моделями ошибок;

• предложена структура автоматизированной системы калибровки БИНС с использованием математической модели ошибок и разработана структура ее программно-математического обеспечения.

Существующие способы калибровки основаны на использовании только математических моделей ошибок инерциальных измерителей. Предложенный автором способ калибровки БИНС предполагает совместное использование математической модели ошибок системы и математических моделей ошибок инерциальных измерителей.

Этот способ калибровки бесплатформенных инерциальных навигационных систем является естественным продолжением существующих способов калибровки БИНСотличающийся тем, что информационную нагрузку о значениях калибровочных коэффициентов несут не зашумленные сигналы инерциальных измерителей, как это было в известных способах калибровки, а выходные сигналы БИНС по углам ориентации, по значениям северной и восточной составляющих линейной скорости, являющихся при калибровке ошибками системы. Так как БИНС сама является хорошим фильтром, то эти ошибки являются слабо зашумленными, что приводит к более точному определению калибровочных коэффициентов.

Положительным фактором является и то, что калибровка осуществляется в рабочем режиме БИНС с использованием бортовых навигационных алгоритмов.

Практическая значимость исследования заключается в использовании полученных автором результатов в организациях разработчиков и изготовителей авиационной, ракетной, наземной и морской навигационной техники.

Конкретно практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

• предложенный автором способ калибровки позволяет обеспечить более высокую точность работы БИНС;

• на основе предложенного автором способа определения калибровочных коэффициентов разработана структура автоматизированной системы калибровки БИНС и ее программно-математического обеспечения;

• полученные автором математическая модель ошибок БИНС и аналитические соотношения, описывающие процесс определения калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей легли в основу расчетных формул инструкции и методических материалов по калибровке БИНС.

Апробация результатов исследования.

Практическая проверка основных положений и расчетных соотношений, полученных автором, проведена с помощью имитационного и натурного моделирования нового способа калибровки БИНС. Основные научные и практические результаты исследований использованы и внедрены при создании в ОАО ПНППК (г. Пермь) макетных образцов двухрежимного гирогоризонткурсоуказателя на базе волоконно-оптических гироскопов для наземных объектов (ДГГКУ) и двухрежимного гирогоризонткурсоуказателя на базе 3-х-компонентного волоконно-оптического гироскопа БВОГ 120/3 (ДГТКУ-1).

Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на 5 международных и 5 всероссийских научно-технических конференциях:

• V Международная научно-техническая конференция. Радиолокация, навигация, связь (г. Воронеж, 1999 г.);

• Международная конференция Института навигации США (г. Сан-Диего, январь 2002 г.);

• VI Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2003» (г. Пермь, ПГТУ, апрель 2003 г.);

• XI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам (г. С-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», май 2004 г.);

• XXIV Всероссийская научно-техническая конференция памяти H.H. Острякова (г. Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», октябрь 2004 г).

• VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2005». (г. Пермь, ПГТУ, июнь 2005 г.).

• XIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам (г. С-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», май 2006 г.);

• IX Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2006». (г. Пермь, ПГТУ, ноябрь 2006 г.).

• XXV Всероссийская научно-техническая конференция памяти H.H. Острякова (г. Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», октябрь 2006 г).

• XIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, (г. Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», май 2007 г.).

Основные научные результаты исследования опубликованы в журналах:

• «Авиакосмическое приборостроение» № 9,2004;

• «Гироскопия и навигация» № 2,2007;

• «Аэрокосмическая техника» Вестник ПГТУ № 18, 2004.

Опубликовано 5 рефератов докладов в журнале «Гироскопия и навигация» № 4(39) 2002 г.- № 1(40) 2003 г.- № 3(46) 2004 г.- № 4(47) 2004 г.- № 3(54) 2006 г.

Всего по теме диссертации опубликовано 7 публикаций в журналах, рекомендуемых с 01.01.07 г. ВАК РФ.

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту:

• способ определения калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей БИНС с использованием математической модели ошибок системы;

• математическая модель ошибок БИНС на ВОГах для определения калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей;

• общий алгоритм процесса калибровки БИНС с использованием математической модели ошибок системы;

• алгоритмы определения калибровочных коэффициентов;

• структура автоматизированной системы калибровки БИНС с использованием математической модели ошибок системы;

• структура программно-математического обеспечения автоматизированной системы калибровки.

ВЫВОДЫ.

Основные особенности предлагаемой автоматизированной системы калибровки БИНС по модели системы заключаются в следующем:

1. В автоматизированную систему входят две ПЭВМ.

2. Первая ПЭВМ управляет движением НПС и обеспечивает получение необходимых ориентаций стола.

3. Вторая ПЭВМ обеспечивает: проведение выставок БИНС в каждой ориентации НПС, обработку ее выходных сигналов, расчет правых частей модели ошибок системы в итерационном режиме, расчет калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей, 4. После расчета калибровочных коэффициентов их значения заносятся в бортовое программное обеспечение БИНС и проводится контрольный замер выходных сигналов БИНС в одной из ориентаций НПС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной диссертации на основании разработанных автором теоретических положений разработан научно обоснованный способ калибровки бесплатформенных инерциальных навигационных систем по математической модели ошибок системы, внедрение которой вносит значительный вклад в развитие информационных технологий производства навигационных систем и повышение обороноспособности страны.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Предложен способ калибровки бесплатформенных инерциальных навигационных систем с использованием математической модели ошибок БИНС.

2. Разработана математическая модель ошибок БИНС на волоконно-оптических гироскопах для определения калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей.

3. Разработан общий алгоритм процесса калибровки БИНС с использованием математической модели ошибок системы.

4. Разработаны алгоритмы определения калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей в соответствии с их моделями ошибок.

5. Предложена структура автоматизированной системы калибровки БИНС по модели ошибок навигационной системы и разработана структура ее программно-математического обеспечения.

6. Предложенный способ калибровки позволяет обеспечить более высокую точность при работе БИНС в автономном режиме.

7. Полученные автором математическая модель ошибок БИНС и аналитические зависимости, описывающие процесс определения калибровочных коэффициентов инерциальных измерителей легли в основу расчетных формул инструкции и методических материалов по калибровке БИНС.

8. Предложенный автором способ калибровки БИНС в связи с сокращением времени измерений и определением калибровочных коэффициентов в режиме постобработки позволяет по предварительным расчетам более чем в четыре раза сократить время калибровки навигационной системы.