Этапы развития гироскопических компасов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ КОМПАСОВ

Н.В. ДМИТРИЕВ,

А.В. ПОЛУШКИН

Для управления движением подвижных объектов, а также для систем ориентации неподвижных объектов, необходимо знать их расположение относительно стран света. С давних времен для этой цели, главным образом в мореплавании, успешно применялись магнитные компасы. В связи с развитием техники точности, обеспечиваемые магнитными компасами, стало не достаточно для решения навигационных задач. Поэтому во второй половине ХIХ века начались поиски компасов на новых принципах. Предлагаемый доклад посвящен этапам развития гироскопических компасов.

Развитие гироскопических компасов

Разработкой нового типа компаса занимались многие выдающиеся инженеры и ученые. В итоге в 1852 году французский ученый Леон Фуко, впервые высказал мысль о возможности создания механического устройства, способного заменить магнитный компас. Фуко предложил использовать в качестве указателя географического меридиана гироскопический прибор, который мог чувствовать проекцию угловой скорости вращения Земли [1, 2, 3]. Однако лишь через полвека удалось впервые построить практически пригодные мореходные гироскопические приборы - гирокомпасы (ГК) Аншутца (1908г.) и Сперри - (1911г.) (рис. 1).

Изначально становление теории гирокомпасов и практическое ее воплощение велось, главным образом, по двум направлениям: однороторные гирокомпасы (фирма «Sperry») и двух-трехроторные гирокомпасы (фирма «Anschutz»).

Дальнейшая работа привела к усовершенствованию двухроторного гирокомпаса и созданию в 1927 г. ГК "Новый Аншютц" [4]. Гирокомпас «Новый Аншутц» является одним из значительных достижений в теории и практике гироскопических приборов. При конструировании этого прибора был использован целый ряд оригинальных технических решений, позволивших значительно уменьшить влияние вредных воздействий на чувствительный элемент прибора. Настоящий прибор предопределил развитие техники на многие годы вперед. Так, в современных ГК используются схемно-технические решения, найденные при создании прибора «Новый Аншутц» (рис. 2).

Активно развивавшаяся в начале XX века военная и гражданская техника выдвигала множество задач по азимутальной ориентации не только надводных и подводных судов, но и неподвижных относительно Земли объектов, в том числе задачу азимутальной привязки бортовых инерциальных навигационных систем летательных аппаратов [5, 6, 7]. В таблице 1 приведены требуемые характеристики ГК в зависимости от их применяемости.

Таблица 1 Применение гироскопических компасов

Примечание ц - широта места

Для решения таких задач необходим наземный гирокомпас. Изначально в таких целях применялись маятниковые и корректируемые ГК, конструкции которых базировались на приборах, применяемых для морских подвижных объектов. Приборы имели большие массогабаритные характеристики и энергопотребление. Например, первый отечественный маркшейдерский гирокомпас М-1: масса 407 кг, точность 80 угл. с, мощность более 100 Вт.

Затем конструкция прибора упрощалась, благодаря применению однороторных маятниковых гироскопов с торсионным подвесом и датчиков угловой скорости на основе поплавковых гироскопов с двумя степенями свободы. Точность таких гирокомпасов возросла до 10 угл. с, а масса составила 10…20 кг.!

Современные гироскопические компасы

Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гироскопических приборов стимулировали ученых и инженеров не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов, но и к поискам принципиально новых идей. В результате были созданы гироскопы на новых физических принципах, имеющие более лучшие точностные и массо-габаритные характеристики. Среди них стоит отметить динамически-настраиваемые (ДНГ), волоконно-оптические и лазерные гироскопы (ВОГ и ЛГ). Отличительными особенностями этих гироскопов являются рациональное соотношение цена/точность, высокие метрологические и эксплуатационные характеристики, обеспечивающие возможность применения в инерциальной навигации.

Точностные характеристики различных гироскопов представлены на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В настоящее время существуют различные схемы построения ГК на основе ДНГ, ВОГ и ЛГ. Стоит отметить, что гирокомпасы, построенные с использованием таких чувствительных элементов, нашли широкое применение для ориентации как подвижных, так и неподвижных относительно Земли объектов.

Ряд фирм занимается выпуском ГК, построенных на основе ДНГ, ВОГ и ЛГ: Пермская научно-производственная приборостроительная компания, НИИ «Полюс», ЦНИИ Электроприбор (все Россия), Teledyne CDL (Великобритания), Honeywell (США) и др. Характеристики отечественных и зарубежных гирокомпасов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики ГК на основе ДНГ

Более перспективным направлением является бесплатформенный гирокомпас (БГК), построенный на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системе (БИНС). Гирокомпасы, построенные на БИНС, включают в состав трехкомпонентный гироскопический измеритель угловой скорости и трехкомпонентный измеритель кажущегося ускорения, а также быстродействующую вычислительную машину, в которой прописаны алгоритмы, позволяющие определить параметры ориентации: углы курса, рыскания, тангажа, крена [8, 9].

В настоящий момент бесплатформенные гирокомпасы достигли точности десятый долей градуса, при этом имея меньшие габариты и массу, высокую надежность и малое энергопотребление (на уровне 20 Вт). Также важным является тот факт, что бесплатформенные гирокомпасы легко интегрируются с другими навигационными системами, что обеспечивает повышение точности в разы. Среди фирм, производящих бесплатформенные гирокомпасы, выделяются такие как Northrop Grumman, Litton (обе США), Teledyne (Великобритания), ЦНИИ Электроприбор (Россия).

В таблице 3 приведены основные характеристики БГК различных фирм.

Таблица 3 Характеристики БГК различных фирм

Примечание ц - широта места

В то же время, для целей ориентации статических объектов продолжают использовать гирокомпасы, построенные на традиционных принципах. Примером служит разработки ФГУП «НПЦ АП» ГКР-1 [10] и филиала ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова» АГК-21.003 [11].

Настоящие гирокомпасы относятся к аналитическим гирокомпасам, построенные на базе двухстепенного поплавкового гироблока, работающего в режиме датчика угловой скорости и измеряющего проекцию горизонтальной составляющей угловой скорости Земли.

Основные технические характеристики описанных выше ГК приведены в таблице 4.

Таблица 4 Основные характеристики ГКР-1

Пути повышения точности калибровки гирокомпаса за счет уменьшения инструментальных погрешностей

Перспективным направлением развития ГК можно считать улучшение точностных характеристик посредством минимизации инструментальных погрешностей, которые выявляются на этапе калибровки прибора. Это достигается использованием в качестве испытательной аппаратуры прецизионных поворотных столов, которые могут обеспечивать развороты в требуемые значения углов с высокой точностью [12]. Процесс калибровки происходит следующим образом: ГК устанавливают на поворотном столе (ПС), далее с помощью ПС задают последовательные повороты ГК в требуемые фиксированные положения, а затем определяют погрешности измерения азимута относительно эталонных значений во всех угловых положениях системы.

В настоящее время для калибровки гирокомпасов используют либо оптические делительные головки ОДГЭ, имеющие точность от 2 угл. с, либо поворотные столы УК с точностью 0, 5 угл. с. Недостатками представленного оборудования являются: у ОДГЭ это наличие только визуального отсчета и отсутствие автоматического режима, а у УК автоматическое задание поворота с точностью 5 угл. с при максимальной нагрузке на ось стола не более 20 кг.

На предприятии ПО «Корпус» производится зарегистрированный в госреестре поворотный стол СПЦ-383 (рис. 4), который имеет технические показатели, указанные в таблице 5.

Таблица 5. Характеристики СПЦ-383

При проведении калибровки ГК необходимо учитывать дрейф гироскопа, который накапливается в течение времени. В то же время, для более точного определения поправочных коэффициентов, требуется задание большего количества фиксированных положений. Использование цифрового поворотного стола позволяет автоматизировать трудоемкий процесс калибровки как традиционных, так и бесплатформенных гирокомпасов, существенно снизив влияние дрейфа, исключить субъективные оценки оператора, удалить персонал из зоны проведения высокоточных угловых измерений, что положительно сказывается на полученных результатах.

Заключение

Проведенный анализ гироскопических компасов говорит о том, что дальнейшее их развитие связано с применением интегрированной системы, в состав которой входит гироскопический чувствительный элемент, которой принимает поправки от других навигационных систем таких, как спутниковая навигационная система, радиолокация и электронная картографическая навигационная система.

гироскопический компас погрешность калибровка

Литература

1. Шестов, С.А. Гироскоп на земле, в небесах и на море [Текст] / С.А. Шестов. - М.: Знание, 1989. - 192 с.

2. Шестов, С.А. Развитие наземных гирокомпасов, построенных на основе гиротахометров [Текст] / С.А. Шестов, С.В. Мокрышев // Гироскопия и навигация. - 2000. - № 1. - С. 95-112.

3. Михеев, А.В. Анализ развития гироскопических компасов [Текст] / А.В. Михеев, А.А. Копичева, В.Ю. Чеботаревский // ДЕП в ВИНИТИ. - 2004. - № 1982. - С. 22-25.

4. Ишлинский, А.Ю. Лекции по теории гироскопов [Текст] \ А.Ю. Ишлинский, В.И. Борзов, Н.П. Степаненко. - М.: Изд-во МГУ, 1983. - С. 219-224.

5. Ягодкин, В.В. Гироскопические приборы баллистических ракет [Текст] / В.В. Ягодкин, Г.А. Хлебников - М.: Военное изд-во МО СССР, 1967. - 200 с.

6. Воронков, Н.Н. Гироскопическое ориентирование [Текст] / Н.Н. Воронков, В.В. Кутырев, Н.М. Ашимов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1980. - 296 с.

7. Назаров, Б.И. Гироскопические устройства [Текст] / Б.И. Назаров - М.: Воениздат, 1970. - 375 c.

8. Михеев, А.В. Волоконно-оптический гирокомпас на основе бесплатформенной инерциальной системы ориентации и навигации [Текст] / А.В. Михеев, П.К. Плотников, Ю.Н. Коркишко [и др.] // Гироскопия и навигация. - 2004. -№ 3. - С. 99-104.

9. Михеев, А.В. Исследование погрешностей бесплатформенного инерциального гирокомпаса на основе трех гироскопических измерителей угловой скорости и трех измерителей кажущегося ускорения [Текст]: дис. … канд. техн. наук: СГТУ, Саратов, 2012. - 140 с.

10. Пат. 2339910 РФ, МПК-8 G 01 С 19/38. Гирокомпас [Текст] / Червяков Ю.И., Ленский Ю.В., Межирицкий Е.Л., Паркачев С.Д., Царьков В.П.; заявитель и патентообладатель ФГУП «НПЦ АП имени академика Н.А. Пилюгина». - № 2007120621/28; заявл. 1.06.2007; опубл. 27.11.2008, . Бюл. № 33.

11. http://www.tsenki.com/

12. Ермаков, Р.В. Прецизионный полноповоротный углозадающий стол для испытаний элементов инерциальных приборов [Текст] / Ермаков, Р.В., Н.А.Калдымов, С.Ф.Нахов, А.В.Полушкин, И.В.Слистин, С.Н.Шацков, В.Ф.Васильев// ХХ Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. - СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2013. - С.119-123.

Размещено на Allbest.ru