Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании бесплатформенных инерциальных навигационных систем, водящих в состав инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1].

Используемые термины

Для существенного сокращения текста описания и формулы целесообразно перечислить используемые термины применительно к заявляемому изобретению:

Объект - движущееся в пространстве управляемое тело с целенаправленным перемещением из одной области пространства в другую;

Полюс объекта - точка, для которой определяются переменные его поступательного движения - это, как правило, начало связанной с ним системы координат; в частности, полюсом объекта может быть его центр масс;

Связанная система координат - система координат, связанная с осями чувствительности (измерительными осями) инерциального датчика;

Объектная система координат - связанная с объектом система координат, начало которой совмещено с его полюсом, оси которой направлены в соответствии с задачами управления его движением;

Земная географическая система координат - связанная с Землей система координат, начало которой находится на поверхности Земли (в частности, совпадает с точкой начала движения объекта), первая ось направлена на Восток, вторая - на Север, третья - в зенит;

Земная геоцентрическая система координат - связанная с Землей система координат, начало которой помещено в центр сферической Земли, оси образуют правую тройку, при этом первая ось пересекает нулевой меридиан, третья ось направлена на Север (вдоль этой оси направлен вектор угловой скорости суточного вращения Земли);

Инерциальная система координат - связанная с абсолютно неподвижной в пространстве системой отсчета, оси которой образуют правую тройку и в начальный момент времени наблюдения за движением объекта параллельны осям земной геоцентрической системы координат;

Инерциальный датчик - электро-электронно-механическое устройство, выходные сигналы которого зависят от кинематических характеристик движения объекта и от конструктивных характеристик и принципов работы датчика, в заявляемом устройстве - это кориолисовый вибрационный гироскоп камертонного типа, подвес которого жестко связан с корпусом посредством двадцати датчиков сил, выходы которых подключены к встроенному компьютеру по беспроводной технологии передачи информации;

Встроенный компьютер - это вычислительное устройство, встроенное в инерциальный датчик или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре инерциального датчика и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения реакций опор подвеса кориолисова вибрационного гироскопа на основе обработки сигналов датчиков сил, то есть вход во встроенный компьютер - это сигналы датчиков сил, а его выход - три проекции вектора силы реакции подвеса и три проекции вектора момента в связанной с инерциальным датчиком системы координат;

Первичная информация - это совокупность сигналов датчиков сил, установленных в опорный узел подвеса кориолисова вибрационного гироскопа камертонного типа; на основе этой информации вычисляются три проекции вектора силы реакции подвеса и три проекции вектора момента реакции подвеса;

Инерциальная информация - это совокупность тридцати переменных, вычисляемых на основе первичной информации пяти инерциальных датчиков, каждый из которых построен на кориолисовом вибрационном гироскопе камертонного типа с датчиками силы, установленным в опорный узел его подвеса; указанные тридцать переменных инерциальной информации - это: три проекции вектора абсолютной угловой скорости объекта, три проекции абсолютного углового ускорения объекта, три проекции вектора кажущегося ускорения полюса объекта, три проекции вектора скорости полюса объекта, девять произведений проекций вектора абсолютной угловой скорости объекта друг на друга и девять произведений проекций вектора абсолютной угловой скорости объекта на проекции вектора скорости полюса объекта; все указанные проекции - на оси объектной системы координат, определение переменных инерциальной информации сводится к решению системы линейных алгебраических уравнении тридцатого порядка;

Навигационная информация - переменные, на основе которых осуществляется управление движением объекта, в заявляемом устройстве - это пятнадцать переменных: переменные ориентации объекта от базовой (например, земной географической системой координат) к объектной системе координат (это, например, девять направляющих косинусов), три проекции вектора скорости полюса объекта и три проекции радиуса-вектора полюса объекта (то есть три координаты объекта) в базовой системе координат;

Функция управления движением объекта - в заявляемом устройстве это сумма средневзвешенных модулей разностей определяемых бесплатформенной инерциальной навигационной системой переменных навигационной информации и соответствующих функций времени, задающих требуемые программные движения объекта, то есть функция управления движением объекта представляет собой рассогласование реальных и программных движений объекта, которое система управления его движением должна сводить к нулю в каждый текущий момент времени;

Блок инерциальной информации - устройство, состоящее из пяти инерциальных датчиков, каждый из которых построен на кориолисовом вибрационном гироскопе камертонного типа, по два инерциальных датчика установлены вдоль двух взаимно перпендикулярных осей объектной системы координат и один - вдоль третьей оси этой системы координат, выходы инерциальных датчиков подключены ко входу локального компьютера по беспроводной технологии передачи информации, в котором инсталлировано программное обеспечение для процедуры определения переменных инерциальной информации на основе первичной информации;

Локальный компьютер - вычислительное устройство, встроенное в блок инерциальной информации или входящее в состав бортового компьютера, в котором хранится информация о структуре блока инерциальных датчиков и в который инсталлировано программное обеспечение, входом в которое являются переменные первичной информации, проекции векторов инерциальной информации на измерительные оси датчиков, а выходом являются переменные проекции этих векторов на оси связанной с объектом системы координат.

Бортовой компьютер - вычислительное устройство, в котором хранится априорная информация о гравитационном поле (Земли), базовом вращении (вращении Земли) и начальных условиях об ориентации, движении и положении объекта, входом которого являются переменные инерциальной информации, а выходом - переменные навигационной информации и в который инсталлировано программное обеспечение для процедуры функционирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы, то есть определения переменных навигационной информации на основе переменных инерциальной и априорной информации;

Бесплатформенная инерциальная навигационная система - электро-электронно-механическое устройство, состоящее из блока инерциальной информации, подключенного к бортовому компьютеру, выходом которого являются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта, поступающие на вход системы управления движением объекта:

Функционирование бесплатформенной инерциальной навигационной системы -процесс получения навигационной информации об ориентации объекта в системе координат, в которой решается задача навигации и управления им (например, направляющих косинусах от земной системы координат к системе координат подвижного объекта), движении объекта (проекций вектора скорости полюса подвижного объекта в земной системе координат), положении объекта (проекций радиуса-вектора полюса объекта в земной системе координат) и функции управления движением объекта на основе обработки первичной информации с привлечением априорной информации о гравитационном поле Земли, вращении Земли и начальных ориентации, движении и положении объекта относительно Земли;

Идентификация параметров инерциального датчика - процедура определения реальных конструктивных параметров инерциального датчика, основанная на его стендовых испытаниях, физически моделирующих поступательные и угловые движения объекта с обработкой получаемой при этих испытаниях первичной информации с последующим вычислением параметров инерциального датчика; для этой процедуры требуется разработка соответствующего программного обеспечения;

Массогеометрические характеристики инерциального датчика - совокупность геометрических параметров инерциального датчика, четырех вибрирующих точечных масс, массы подвеса, компонент тензора инерции подвеса и координат центра масс подвеса в связанной с датчиком системе координат.

Уровень техники

Известна бесплатформенная инерциальная навигационная система, построенная на трех взаимно ортогональных датчиках угловой скорости и трех взаимно ортогональных акселерометрах, выходы которых подключены к бортовому компьютеру, в котором вычисляются переменные навигационной информации и функция управления движением объекта [2, 3, 4].

Недостатком этого устройства является невозможность его использования для навигационных измерений в составе инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1].

Известен способ построения инерциальной навигационной системы [5], заключающийся в установке на объекте бесплатформенной инерциальной навигационной системы, состоящей из блока инерциальной информации, в состав которого входят один датчик углового движения (например, датчик угловой скорости) и один датчик поступательного движения (например, акселерометр), блок инерциальной информации жестко закреплен на оси, приводящейся во вращение двигателем и снабженной тахометром для измерения ее угловой скорости относительно объекта, во время движения объекта измеряют сигналы указанных датчиков в окрестностях координатных осей связанной с объектом системы координат и далее обрабатывают их с привлечением необходимой априорной информации для получения переменных навигационной информации. Известны также и усовершенствования [6, 7, 8] этого способа путем установки датчиков сил на оси вращения и соответствующей обработки измерительной информации. В изобретениях [5, 6, 7, 8] по способам построения инерциальных навигационных систем зафиксирована идея уменьшения количества инерциальных датчиков в системе путем принудительного вращения акселерометра Относительно стабилизированной платформы или принудительного вращения относительно объекта двух датчиков, один из которых - акселерометр, второй - датчик угловой скорости. Если в дополнение к этим способам установить на оси вращения датчики сил, то измеряемая ими информация и ее обработка позволит получить избыточную инерциальную информацию с целью использования ее для повышения точности навигационной информации. Область применения таких систем ограничена объектами с медленно-меняющимися или с программно-меняющимися кинематическими характеристиками, то есть такие системы невозможно использовать для навигационных измерений в составе инерциального навигационного комплекса для высокоскоростного маневренного объекта [1].

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого устройства является обеспечение функциональных и точных навигационных измерений для высокоскоростного маневренного объекта [1].

Решение поставленной задачи основано на следующих идеях: 1) использование нескольких однотипных инерциальных датчиков для построения блока инерциальной информации; 2) использование в качестве основного элемента инерциального датчика кориолисова вибрационного гироскопа камертонного типа [9], признанного в научных кругах [11] самым перспективным на современном уровне развития гироскопических и инерциальных технологий чувствительным элементом бесплатформенных инерциальных навигационных систем для высокоскоростных маневренных объектов по следующим обстоятельствам: а) чувствительный элемент изготовлен из кварца - материала, являющегося эталоном стабильности, поэтому будут стабильными и параметры гироскопа; б) необходимое для функционирования колебание оболочки в пределах упругих деформаций не связано ни с износом, ни с деградацией материала, поэтому практически не ограничивает долговечности прибора; в) диапазон измеряемых угловых скоростей и линейных ускорений практически неограничен; г) прибор миниатюрен, стоек к механическим и температурным воздействиям, недорогой в серийном производстве; 3) установка в опорный узел подвеса кориолисова вибрационного гироскопа камертонного типа датчиков сил [12, 13] таким образом, чтобы на основе их сигналов можно было определить реакции опоры подвеса; 4) идентификация параметров каждого инерциального датчика в блоке инерциальной информации и использование величин этих параметров при вычислении переменных инерциальной информации в течение всего интервала времени навигационных измерений.

Поставленная задача решается тем, что бесплатформенная инерциальная навигационная система состоит из пяти инерциальных датчиков, каждый из которых построен на кориолисовом вибрационном гироскопе камертонного типа [9], каждый из которых, в свою очередь, представляет собой механическую систему, состоящую из четырех точечных масс, перемещающихся в направляющих, установленных во взаимно перпендикулярных направлениях в одной плоскости, перпендикулярно которой установлена ось подвеса, закрепленная в опорный узел, снабженный четырьмя взаимно перпендикулярными стержнями, жестко закрепленными первыми концами на оси подвеса и перпендикулярными этой оси, на втором конце каждого стержня установлено по пять датчиков сил, один из которых установлен вдоль стержня, остальные четыре - взаимно перпендикулярно и перпендикулярно стержню, а на каждую точечную массу действует сила от установленного около направляющей этой точечной массы вибратора, приводящего эту точечную массу в возвратно-поступательное движение по гармоническому закону во времени с заданными амплитудой и частотой. На основе измеряемых сигналов датчиков сил далее последовательно: 1) во встроенном компьютере вычисляют шесть реакций опоры подвеса для каждого инерциального датчика, 2) в локальном компьютере вычисляют тридцать переменных инерциальной информации, 3) в бортовом компьютере вычисляют пятнадцать переменных навигационной информации с привлечением априорной информации об угловой скорости Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях о движении объекта, а затем вычисляют функцию управления движением объекта с привлечение априорной информации о программных законах движения объекта во времени. Подача сигналов датчиков сил в локальный компьютер осуществляется по беспроводной технологии передачи информации [14].

Формула изобретения

Бесплатформенная инерциальная навигационная система для высокоскоростного маневренного объекта, содержащая датчики угловой скорости и датчики кажущегося ускорения, подключенные к бортовому компьютеру, в котором хранится априорная информация о вращении Земли, ее гравитационном поле и начальных условиях о движении объекта и в каждый текущий момент времени последовательно вычисляются шесть переменных инерциальной информации, пятнадцать переменных навигационной информации и функция управления движением объекта, отличающаяся тем, что в качестве инерциальных датчиков использованы пять кориолисовых вибрационных гироскопов камертонного типа с идентифицированными массогеометрическими характеристиками и заданными гармоническими законами движения во времени четырех точечных масс, подвес каждого из которых установлен в опорный узел посредством двадцати работающих на сжатие безынерционных датчиков сил, подключенных к бортовому компьютеру, в котором последовательно вычисляются реакции опор подвесов инерциальных датчиков, тридцать переменных инерциальной информации с использованием избыточности для контроля правильности вычислений и повышения надежности, пятнадцать переменных навигационной информации и функция управления движением объекта.