Электронный магнитный горизонткомпас для систем управления маневренных объектов

Актуальность темы

Непрерывное расширение видов и функциональных возможностей транспортных средств и других подвижных объектов — наземных и воздушных, надводных и подводных, морских и речных обуславливает возрастание требований к средствам измерения навигационных параметров, определяющих их текущее местоположение и траекторию движения по маршруту.

Одним из основных навигационных параметров движения подвижного объекта по маршруту является курс, характеризующий в плоскости горизонта угловое положение продольной оси подвижного объекта относительно привязанной к земной поверхности системы отсчета.

Значительный вклад в разработку методов и средств измерения курса различных подвижных объектов внесли: Белавин О. В., Воробьев Л. М., Григорьев В. В., Гурьев И. С., Дегтярев Н. Д., Джанджгава Г. И., Зеленков С. В., Ишлинский А. Ю., Кардашинский — Брауде Л. А., Магнусов B.C., Одинцов А. А., Павлов А. В., Пельпор Д. С., Пешехонов В. П., Помыкаев И. И., Ривкин С. С., Рыбалтовский Н. Ю., Сайбель А. Г., Селезнев В. П., Суминов В. М., Терехов И. Н., Тихменев С. С., Хлюстин Б. П., Яновский Б. М. и другие отечественные ученые и специалисты.

Среди зарубежных исследователей следует отметить F. Aronowitz, G. Bahmeier, D.G. Egziabher, G.H.Elkain, J.P. Pawell, B.W.Parkinson и других.

В настоящее время на различных классах летательных аппаратов, наземных, надводных и подводных транспортных средствах и подвижных объектах используются различные по принципу действия и техническим характеристикам компасы — гироскопические, магнитные, астрономические, радиотехнические и курсовые системы, построенные на комплексировании данных компасов.

Многообразие транспортных средств и подвижных объектов, в том числе управляемых экипажем или одним оператором с невысокой навигационной квалификацией — определило необходимость расширения арсенала средств измерения курса. При этом определяющими критериями конкурентоспособности приборов и систем измерения курса для ряда подвижных объектов являются автономность функционирования, малый вес и габариты, низкая стоимость и энергопотребление, достаточно высокая точность и способность интегрироваться в современные системы управления объекта, повышение безопасности управления подвижным объектом. Возрастающая потребность в применении маневренных объектов различного назначения обуславливает перспективность создания унифицированных малогабаритных автономных датчиков курса, различающихся в основном качеством используемых функциональных элементов, алгоритмическим и программным обеспечением.

Для определения курса маневренного объекта необходимо обеспечивать стабилизацию датчика курса в плоскости горизонта или иметь информацию об углах наклона этого датчика. При этом, особый интерес представляет построение системы измерения всех параметров угловой ориентации маневренного объекта, т. е. получение в одном устройстве информации о курсе, и углах крена и тангажа (дифферента). Такие устройства будем называть горизонткомпасами.

Объект исследования. Как показывает анализ, одним из перспективных направлений по оснащению систем управления маневренных объектов автономными малогабаритными средствами измерения угловой ориентации является создание унифицированного электронного магнитного горизонткомпаса, построенного на основе магнитометров, инерциальных датчиков линейного ускорения и угловой скорости, с автоматической калибровкой и списанием магнитной девиации, автоматической коррекцией влияния углов наклона подвижного объекта на измерение угла курса.

Предмет исследования. Создание унифицированного электронного магнитного горизонткомпаса предусматривает разработку теоретических основ построения, математического описания алгоритмов функционирования, методов проектирования и обеспечение точности, особенностей применения электронного магнитного горизонткомпаса на различных подвижных объектах.

Целью диссертационной работы является обеспечение конкурентоспособности и расширение области применения унифицированного автономного электронного магнитного горизонткомпаса.

Научная задача диссертации заключается в разработке научно-обоснованной методики построения, проектирования, исследования и применения электронного магнитного горизонткомпаса.

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:

• Анализ современных требований, предъявляемых к средствам измерения угловой ориентации подвижных объектов, обоснование принципов построения и эффективных областей применения электронного магнитного горизонткомпаса.

• Разработка теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования и анализа точности электронного магнитного горизонткомпаса.

• Разработка методов анализа и синтеза электронного магнитного горизонткомпаса по точностным критериям.

• Разработка методов автоматической калибровки и списания девиации электронного магнитного горизонткомпаса на стендах, полигонах и подвижных объектах и особенностей использования этих методов.

• Разработка методики математического моделирования и экспериментального исследования, рекомендаций по инженерному проектированию, производству и применению электронного магнитного горизонткомпаса на различных подвижных объектах.

Методы исследования. При решении поставленной задачи научного исследования использовались соответствующие положения: теории измерений и измерительных преобразователейметоды математического описания, анализа и синтеза измерительных системвероятностно-статистической обработки результатов, оптимальной фильтрации и оценивания параметровматематического и натурного моделирования и экспериментального исследованияметоды самолето — и судовожденияаппарат матричного счисления.

Достоверность полученных результатов базируется на построении адекватных математических моделей, применении современных методов анализа и синтеза, на тщательной отработке алгоритмов при имитационном моделировании с использованием пакетов прикладных программ Matlab, Symulink, на согласованности теоретических положений с результатами стендовой калибровки и калибровки на подвижных объектах, с данными натурных испытаний, а также на опыте производства и применения электронного магнитного горизонткомпаса на различных подвижных объектах.

Научная новизна и теоретическая значимость работы определяется следующими основными результатами:

• Разработаны методы анализа и синтеза структуры и параметров электронного магнитного горизонткомпаса с учетом динамики поведения подвижного объекта и его магнитных свойств.

• Разработаны математические модели, определяющие влияние параметров движения подвижного объекта, погрешностей датчиков первичной информации (магнитометров, датчиков угловой скорости и акселерометров) и магнитного наклонения на результирующую погрешность измерения магнитного курса.

• Получено обобщенное уравнение для тангенса угла магнитной девиации электронного магнитного горизонткомпаса, в котором при определении курса кроме традиционного влияния магнитомягкого и магнитотвердого «железа» учитывается влияние погрешностей определения углов наклона подвижного объекта, аддитивных и мультипликативных погрешностей магнитометров, в том числе и погрешностей от неортогональности входных осей магнитометров.

• Разработаны методики автоматической калибровки электронного магнитного горизонткомпаса на стенде, полигоне и подвижном объекте без внешней информации об углах наклона объекта с учетом неортогональности измерительных осей, собственного магнитного поля, аддитивных и мультипликативных погрешностей магнитометров.

• Разработаны имитационные модели, методики моделирования и исследования вариантов электронного магнитного горизонткомпаса ряда подвижных объектов — судно на воздушной подушке, патрульный катер, маневренный корабль.

• Выработаны научно-обоснованные рекомендации по проектированию, изготовлению, калибровке и установке на подвижных объектах разных вариантов электронного магнитного горизонткомпаса.

Практическая ценность. Работа выполнялась в соответствии с заданиями Федеральной Целевой Программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2001;2010г.г. и на период до 2015 года», приказом Федеральной Пограничной Службы (ФПС) от 16 мая 2003 г. № 251 в рамках НИОКР ОАО «Научно-производственный комплекс „ЭЛАРА“ имени Г. А. Ильенко».

Основными результатами, определяющими практическую ценность работы, являются:

• Научно-обоснованная методика построения и инженерного проектирования электронного магнитного горизонткомпаса.

• Методика анализа точности и расчета погрешностей, обоснования требований к функциональным элементам электронного магнитного горизонткомпаса.

• Методики и результаты стендовой и натурной калибровки электронного магнитного горизонткомпаса различных подвижных объектов.

• Алгоритмическое и программное обеспечение, методики и результаты имитационного моделирования, стендовых и ходовых натурных испытаний, рекомендации по изготовлению и применению электронного магнитного горизонткомпаса в системах управления маневренных объектов, по совершенствованию и расширению области эффективного применения.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научно-технические результаты внедрены на ОАО «Научно-производственный комплекс „ЭЛАРА“ имени Г. А. Ильенко» при разработке и производстве модификаций электронного магнитного горизонткомпаса, которые устанавливаются на экраноплане «Акваглайд-5», на судах ФПС России «Чилим», «Меркурий», на корвете «Стерегущий», теплоходах «ЭЛАРА», «ЛЕНА» в системах управления маневренных объектов.

Ряд полученных результатов используется в учебном процессе Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева при подготовке инженеров по специальностям: 200 103 «Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы», 160 402 «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации».

Основные положения, выносимые на защиту:

• Научно-обоснованная методика построения, математического описания, проектирования и исследования магнито-инерциального горизонткомпаса с автоматической калибровкой и списанием девиации.

• Обобщенное уравнение для тангенса угла магнитной девиации, учитывающего влияние углов наклона подвижного объекта и погрешности их измерения, погрешности от неортогональности измерительных осей магнитометров, другие аддитивные и мультипликативные погрешности магнито-инерциального горизонткомпаса.

• Математические модели влияния параметров движения подвижного объекта, магнитного наклонения и погрешностей датчиков первичной информации на погрешность измерения магнитного курса.

• Методы анализа, параметрического и структурного синтеза магнито-инерциального горизонткомпаса с учётом характеристик и магнитных свойств объекта применения.

• Методики автоматической калибровки магнито-инерциального горизонткомпаса на стендах, полигонах и подвижных объектах без внешней информации об углах наклона объекта, с учётом собственного магнитного поля, неортогональности измерительных осей и погрешностей магнитометров.

• Имитационные модели, методики и результаты моделирования и экспериментального исследования, разработки и применения вариантов магнито-инерциального горизонткомпаса на различных подвижных объектах.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на IV Российской научно-практической конференции «Современное состояние, проблемы навигации и Океанографии» (г. Санкт — Петербург, 2001 г.), научно-практической конференции Российского форума «Авиакосмические технологии и оборудование» (г. Казань, 2002 г.), Международной научной конференции «Авиация и космонавтика — 2003» (г. Москва, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (г. Казань, 2004 г.), XVI Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (г. Гурзуф, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Авиакосмичсеские технологии и оборудование» (г. Казань, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Современные технологии — ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (г. Казань 2008 г.), на научнотехнических совещаниях в отраслевых институтах ГосНИНГИ, ГосНИИАС, НИИАО (2001;2008гг.), а также на НТС ОАО «Научно — производственный комплекс „ЭЛАРА“ им. Г. А Ильенко» (2001;2009гг.) и расширенном заседании кафедры приборов и информационно — измерительных систем Казанского государственного технического университета им. А. Н Туполева, 2009 г.

Личный вклад автора. Автором разработана научно-обоснованная методика построения, математического описания, проектирования и исследования электронного магнитного горизонткомпаса с автоматической калибровкой и списанием девиации. Получено обобщённое уравнение для тангенса угла магнитной девиации и разработаны математические модели влияния параметров движения подвижного объекта, магнитного наклонения и погрешностей датчиков первичной информации на результирующую погрешность электронного магнитного горизонткомпаса. Разработаны методы анализа, параметрического и структурного синтеза электронного магнитного горизонткомпаса, методики его автоматической калибровки на стенде, полигоне и подвижном объекте, методика инженерного проектирования и рекомендации по моделированию, изготовлению, экспериментальному исследованию, применению в системе управления маневренных объектов и совершенствованию электронного магнитного горизонткомпаса.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в 2 статьях периодических изданий из списка ВАК, в 2 статьях других научных журналов, в 6 материалах докладов. На предложенные технические решения получены 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложениий. Основное содержание диссертации изложено на 218 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц и 44 рисунка. Библиография включает 115 наименований.

7. Результаты исследования и разработки использованы при создании опытных и промышленных образцов электронного магнитного горизонткомпаса, которые применяются в составе систем управления теплохода «Лена», корвета «Стерегущий», катера «Меркурий», экраноплана «Акваглайд-5», судов на воздушной подушке «Чилим» и других маневренных объектов.

8. Применение вариантов электронного магнитного горизонткомпаса решает актуальную для судостроения, авиации, других отраслей промышленности задачу повышения навигационной безопасности и эффективности применения транспортных средств и других подвижных объектов при этом внедрение их в производство и эксплуатацию позволяет исключить закупку дорогостоящего зарубежного оборудования, что имеет существенное значение для экономики и обороноспособности страны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ перспектив развития транспортных средств и других подвижных объектов, методов и средств измерения курса, а также предложенные способы измерения магнитного курса и цифровой компенсации электромагнитной девиации свидетельствуют о перспективности создания и применения электронного магнитного горизонткомпаса, отличающегося автономностью функционирования, малым весом и габаритами, низкой стоимостью и энергопотреблением, способностью интегрироваться в современные системы управления.

2. Отсутствие научно-обоснованной методики построения, математического описания, системного проектирования, исследования и применения сдерживает разработку и внедрение в промышленность конкурентоспособных вариантов электронного магнитного горизонткомпаса, и определило постановку задачи научного исследования.

3. Разработанные теоретические основы построения, проектирования и исследования, алгоритмы обработки информации, обобщенная математическая модель девиации и основных составляющих погрешности являются базой для решения задачи анализа и синтеза электронного магнитного горизонткомпаса, его автоматической калибровки и обеспечения точности функционирования на различных маневренных объектах.

4. Разработанные методы автоматической калибровки, повышения точности автономного определения углов наклона подвижного объекта и компенсации остаточной девиации являются реальной базой для обеспечения высокой точности электронного магнитного горизонткомпаса в процессе эксплуатации.

5. Разработанные инженерные методики анализа результирующей погрешности и обоснования требований к функциональным элементам, а также алгоритмическое и программное обеспечение позволяет обоснованно проводить проектирование, моделирование и оценку эффективности различных вариантов электронного магнитного горизонткомпаса.

6. Результаты имитационного моделирования, изготовления и экспериментального исследования и применения опытных и промышленных образцов подтверждают адекватность разработанных моделей, методик и алгоритмов, эффективность предложенных подходов и методик проектирования и повышения точности, определяют области применения и направления совершенствования электронного магнитного горизонткомпаса.