Методы калибровки и начальной выставки бескарданных инерциальных навигационных систем при динамических возмущениях

24 февраля 2021 года
Баранцев Глеб Олегович
(аспирант 3-го г. о., научные руководители д.ф.- м.н. А.А.Голован , к.ф.- м.н. А.В.Козлов , рецензенты д.ф.-м.н. А.И.Матасов , асп. 2 г. о. А.Брагин)

Лазерные гироскопы имеют особенность, связанную с наличием зоны захвата встречных лучей, не позволяющей регистрировать сигнал при малых угловых скоростях. Одним из способов исключения влияния зоны захвата в бескарданных инерциальных навигационных системах (БИНС) является установка лазерного гироскопа на так называемый виброподвес, создающий высокочастотные колебания корпуса гироскопа, сдвигающие рабочий диапазон измерения из зоны захвата в линейную зону. Лазерный гироскоп, таким образом, совершает относительно корпуса БИНС псевдослучайные вибрации с амплитудой порядка единиц угловых минут на частотах порядка сотен герц, то есть с угловыми скоростями порядка десятков градусов в секунду. В показаниях гироскопа эти колебания большей частью устраняются, например, с помощью измерений специального датчика угловой скорости. Остаточные не скомпенсированные колебания имеют величину порядка десятых долей градуса в секунду. 

Экспериментально установлено, что среднее положение этих колебаний может зависеть от момента сил, действующих в конструкции виброподвеса. В линейном приближении это угловое смещение пропорционально моменту, который, в свою очередь, ввиду постоянства плеча, пропорционален удельной силе, приложенной к центру масс гироскопа. Удельная сила при этом считается приблизительно одинаковой для всех точек инерциального блока БИНС, а значит измеряется ньютонометрами, входящими в её состав. Таким образом, можно сказать, что в линейном приближении угловое смещение пропорционально скалярному произведению компонент удельной силы и набора коэффициентов, связанных с упругостью конструкции подвеса.

По существующим представлениям основной вклад в это смещение для инерциальных систем БИНС-РТ разработки АО «ИТТ» (и для некоторых других систем) вносит компонента удельной силы вдоль оси чувствительности гироскопа. Соответствующий коэффициент составляет приблизительно одну угловую секунду на g. В соответствии с описанной выше моделью углового смещения, соответствующее ему изменение угловой скорости вращения гироскопа изменяется на величину скалярного произведения коэффициентов, связанных с упругостью конструкции, и производных компонент удельной силы. Можно отметить важные отличия этого эффекта от, например, проявления рассинхронизации измерений между тройками ньютонометров и гироскопов:

- угловое отклонение пропорционально не угловой скорости, а удельной силе, действующей на гироскоп (соответственно, оно постоянно не при постоянной угловой скорости, как рассинхронизация, а при постоянной удельной силе);

- каждый гироскоп поворачивается независимо от других.   

Влияние описанного эффекта на точность решения навигационной задачи существенно зависит от траектории движения объекта. Оказывается, что во многих случаях им можно пренебречь: когда ориентация объекта относительно вертикали большую часть времени в среднем постоянна, и при этом объект редко испытывает значительные перегрузки. Однако существуют траектории реальных полётов, в которых погрешность координат, связанная исключительно с упругой деформацией виброподвесов лазерных гироскопов, возрастает до величин свыше километра за час полёта.

При калибровке описанных выше коэффициентов модели рассматривается случай, когда удельная сила постоянна в географических осях. Это соответствует калибровочному эксперименту, в котором отсутствуют значительные линейные ускорения БИНС относительно Земли. Тогда, учитывая связь постоянной внешней удельной силы с её компонентами в осях гироскопа при помощи матрицы ориентации, а также используя кинематическое уравнение Пуассона, можно получить выражение, в котором угловая скорость вращения гироскопа изменяется на величину, пропорциональную векторному произведению удельной силы и угловой скорости гироскопа с искомыми коэффициентами, связанными с упругостью конструкции подвеса. В этом виде описанная модель пригодна (и используется) для стендовой калибровки БИНС.