Гирокомпас на основе зеемановского кольцевого лазера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Колбас, Юрий Юрьевич

• Колбас, Юрий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колбас, Юрий Юрьевич

.:'" " : Стр.

Введение

Глава 1. Функциональная схема и принцип работы гирокомпаса на основе зеемановского кольцевого лазера.

§ 1.1 Функциональная схема гирокомпаса.

§1.2 Алгоритм работы гирокомпаса.

§1.3 Определение предварительного азимута.

§1.4 Определение точного азимута.

Глава 2. Модель ошибок гирокомпаса с использованием зеемановского кольцевого лазера.

§ 2.1 Источники ошибок гирокомпаса;

§ 2.2 Ошибка, связанная с дрейфом лазерного гирокомпаса.

Вывод формул и количественная оценка;

§ 2.3 Ошибки, связанные с определением точки стояния и нестабильностями базовых плоскостей гирокомпаса. Вывод формул и количественная оценка.

§ 2.4 Ошибка, связанная с определением углов к плоскости горизонта.

Вывод формул и количественная оценка:

Глава 3. Физические причины ошибок и методы их устранения или компенсации.

§ 3.1 Физические причины дрейфа лазерного гироскопа с зеемановским кольцевым лазером в режиме реверса мод генерации; Выбор оптимальной схемы и алгоритма температурной коррекции.

§ 3.2 Физические причины изменения положений базовых поверхностей.

Выбор оптимальной схемы и алгоритма температурной коррекции.

§ 3.3 Физические причины ошибок определения;углов к плоскости горизонта.

Выбор оптимальной схемы и алгоритма температурной коррекции.

§ 3.4 Сравнение с экспериментальными результатами и количественная оценка предельно достижимой технической точности статического гирокомпаса с использованием зеемановского кольцевого лазера.

Глава 4. Конструкция лазерного гирокомпаса ЛГК-4 и результаты ее испытаний.

§ 4.1 Описание конструкции лазерного гирокомпаса ЛГК-4.

§ 4.2 Программное обеспечение лазерного гирокомпаса ЛГК-4.

§ 4.3 Результаты испытаний лазерного гирокомпаса ЛГК-4 при повышенных и пониженных температурах окружающей среды.

§ 4.4 Результаты испытаний лазерного гирокомпаса ЛГК-4 при механических ударах и вибрациях.

§ 4.5 Результаты испытаний лазерного гирокомпаса ЛГК-4 при отличных от 61 нуля наклонах измерительной оси прибора к плоскости местного горизонта.

§4.6 Результаты практической эксплуатации ЛГК-4 в составе дальномера 61 целеуказателя.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гирокомпас на основе зеемановского кольцевого лазера»

В исторической ретроспективе инструменты для определения азимута - т.е. направления на Север (или Юг) претерпели ряд инновационных изменений. Начавшись с простых наблюдений за природными объектами (включая наблюдения. за положениями звезд и Солнца) в 15 веке они привели к широкому распространению среди навигаторов магнитных компасов, которые до начала 20 века были единственным автономным прибором для измерения азимута. К сожалению, магнитные компасы неустойчиво работают в условиях магнитных аномалий, механических вибраций, климатических воздействий. Само магнитное склонение, т.е. угол между направлениями на магнитный и истинный полюса Земли, не является постоянным, что требует, постоянного обновления карт и точного знания точки стояния. Использование магнитных компасов на объектах, содержащих ферромагнетики, требует учета девиации магнитного поля, величина которой сильно зависит от ориентации самого объекта в магнитном поле Земли. В настоящее время лучшие образцы магнитных компасов обеспечивают точность не лучше 1,5° при отсутствии магнитных аномалий.

В начале 20-го века появился альтернативный способ измерения азимута при помощи гироскопов. Этот метод основан на использовании вектора высокостабильной угловой скорости вращения Земли как репера направления непосредственно на Север или Юг. Для этого используются механические гироскопы с двумя степенями свободы и смещенным центром тяжести [1,2] или снабженных датчиками уровня, по показаниям которых ось вращения гироскопа удерживается в плоскости местного горизонта [3].

С появлением в 70-х годах прошлого века бесплатформенных инерциальных систем (БИНС) их начальная выставка, в которую входит определение азимута и углов наклона к плоскости местного горизонта стала производиться путем измерения проекций угловой скорости вращения Земли и ускорения силы тяжести на измерительные оси датчиков угловой скорости (ДУС) и акселерометров [4.7]. С развитием лазерных гироскопов (лазерных ДУС) и достижением ими точности 0,01°/ч появились идеи создания лазерных гирокомпасов:

Первые схемы гирокомпасов на лазерных гироскопах были предложены в начале 70-х годов 20 в. [8. 12]. В этих работах был предложен динамический метод измерения азимута, а именно непрерывное измерение показаний лазерного гироскопа, ось чувствительности которого непрерывно вращается в горизонтальной плоскости. Очевидно, что в моменты нулевых показаний ось чувствительности гироскопа направлена либо на запад, либо: на восток. Полуразность между максимальным и минимальным показаниями позволяет определить дрейф гироскопа и тем самым парировать его влияние на точность измерения.

Однако в реальных разработках гирокомпасов данный; метод не нашел применения. Основной причиной неконкурентоспособности первых лазерных статических гирокомпасов были их большие габариты и малый срок службы.при невысокой точности — не лучше 10'.

Результаты работ по созданию лазерных гирокомпасов, были обобщены в книге [13]. В ней же был изучен метод реверса оси чувствительности как основной способ компенсации невоспроизводимости дрейфа лазерных^ гироскопов,, а также предложена модель ошибок такого гирокомпаса.

Следующий? этап исследований лазерных гирокомпасов начался в первой? половины 90-х годов 20 в. и был связан; с успехами: создания; малогабаритных точных лазерных гироскопов как; с вибрационной, так; ш магнитооптической подставками; В работах [13, 14] былшрассмотрены схемы построения гирокомпаса на;лазерном?гироскопе с вибрационнойшодставкой и построена математическая модель его работы и вычислены ошибки. Примерно в это же время были проведены наши исследования в отношении; гирокомпасов^ на гироскопах, с магнитооптической; подставкой [14.20]. Эти работы привели к созданию ряда;гирокомпасов: 9А184, ЛГК-4. Одновременно ведутся работы по созданию; статических гирокомпасов на основе иных датчиков угловой скорости-механических и;волоконных [21,22].

Настоящая работа посвящена исследованию гирокомпаса с лазерным гироскопом с магнитооптической частотной подставкой, а именно с использованием эффекта Зеемана;

Предлагается использование схемы, состоящей из лазерного гироскопа и двух акселерометров? (или уровня;, представляющего те же акселерометры, но разомкнутого типа), расположенных на поворотной платформе, имеющей 16 точных фиксированных положений, угол между которыми составляет 27,5°. Процесс измерения распадается на 2 этапа. Вначале поворотная платформа устанавливает гироскоп измерительной осью в направлении, азимут которого нужно измерить, затем поворачивается на угол 90° по часовой стрелке. По показаниям гироскопа и акселерометров в этих положениях производится предварительный расчет наклонов платформы к плоскости местного горизонта и азимута выбранного направления. По измеренному предварительному азимуту определяется; в каком из 16 положений платформы направление измерительной гироскопа будет ближе всего к Востоку или Западу. После чего производится 3 последовательных измерения показаний гироскопа и акселерометров в выбранном и отстоящем от него на 180° положениях.

Затем производится расчет точных значений углов наклона платформы и азимута. Такой метод, в сочетании с тем, что каждое измерение гироскопа производится на двух ортогональных модах генерации, позволяет исключить из общей ошибки гирокомпасирования:

- магнитную составляющую дрейфа гироскопа,

- постоянную и линейную от времени немагнитную составляющую дрейфа гироскопа,

- смещение нуля акселерометров;

- непараллельность измерительных осей акселерометров и гироскопа и плоскости вращения платформы;

- небольшие изменения масштабного коэффициента гироскопа;

Однако ряд факторов, влияющих на ошибку измерения азимута остается и требует учета.

К ним относятся:

- угол между измерительной осью гироскопа и осью гирокомпаса в плоскости основания гирокомпаса;

- углы между плоскостью вращения платформы и плоскостью основания гирокомпаса;

- нелинейная от времени немагнитная составляющая дрейфа гироскопа;

- изменения от времени смещения нулей акселерометров;

- изменения масштабных коэффициентов акселерометров.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Колбас, Юрий Юрьевич

- Заключение

Как показывает проведенное исследование, зеемановский гироскоп может быть использован для определения азимута избранного направления. Оптимальная схема предполагает применение одного лазерного гироскопа и двух акселерометров, переключение поляризации мод генерации и реверс осей чувствительности гироскопов и акселерометров, причем должно быть проведено 3 непрерывных измерения в двух противоположных положениях. Данное решение обеспечивает компенсацию магнитной и большую часть немагнитной составляющих дрейфа гироскопа, а также компенсацию смещений нулей акселерометров.

Выделено 4 независимых составляющих ошибки гирокомпасирования для предложенной схемы гироскопа. Рассмотрены физические причины и выведены аналитические формулы для расчета каждой из них. Показано, что основной вклад в ошибку вносит немагнитный дрейф гироскопа, прежде всего явление захвата (90% ошибки). 9% в данную составляющую вносит величина дискрета и пренебрежимо малое значение для зеемановского лазерного гироскопа имеет изменение масштабного коэффициента. Рассмотрение т.н. квазинемагнитных дрейфов показало, что предложенная схема измерения при выборе оптимального времени интегрирования позволяет практически полностью компенсировать влияние нестабильностей электронных блоков -БЧП, СРП, БСТ и источника питания. Показано, что с использованием современной цифровой техники можно существенно уменьшить влияние захвата на измерение малых угловых скоростей и тем самым приблизить ошибку гироскопа к квантовому порогу.

Вторым по значению является неточность определения наклонов, связанная с температурным дрейфом нуля акселерометров и ошибке определения угла между ними. Показано, что существует оптимальное время интегрирования, при котором эта ошибка минимальна и важным становится точность реверса осей чувствительности гироскопа и акселерометров.

Установлено, что вклад четвертой составляющей- точности определения широты местонахождения пренебрежимо мал даже при использовании самых широко распространенных бытовых спутниковых приемников.

Проведенные эксперименты с прибором ЛГК-4 показали правильность сделанных выкладок и использованных предположений и формул.

Также была проведена оценка предельно достижимой точности, которая показала возможность построения прецизионного гирокомпаса (предельная ошибка определения азимута менее 1') при обеспечении достаточно малого времени измерения (до 10 мин.).

В соответствие с разработанной конструкцией и алгоритмом был созданы опытные образцы лазерного гирокомпаса ЛГК-4 и проведены их многочисленные температурные, механические испытания, а также опытная эксплуатация в полевых условиях. Результаты показали нечувствительность разработанного прибора к температурным, механическим воздействиям, а также возможность работы без горизонтирования гирокомпаса. Во всех случаях ошибка определения азимута с точностью до ошибки эксперимента не превышала расчетную.

В заключении хочу выразить благодарность руководителю работы к.ф.-м. н., с.н.с. Голяеву Ю.Д., Дронову И.В., д.т.н. Прядеину В.А. за постоянную поддержку и участие в этих работах, к.ф.-м.н., доценту Савельеву И.И. за предоставленные материалы и обсуждение результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колбас, Юрий Юрьевич, 2011 год

1. Г.В. Щипанов. Гироскопические приборы слепого полета. М., Л., Государственное издательство оборонной промышленности, 1938.

2. В.П: Данилин. Гироскопические приборы, М., Высшая школа, 1965.

3. Э.Дж. Сифф, К.Л. Эммерич. Введение в гироскопию. М:, Машиностроение, 1965.

4. G.G. Ривкин, 3.M. Берман, И.М. Окон. Определение параметров ориентации объекта бесплатформенной инерциальной системой. С.-П., ЦНИИ «Электроприбор», 1996.

5. А. Липтон. Выставка инерциальных систем на подвижном, основании. М., Наука, 1971.

6. А; А. Дмитроченко, В.И: Лопатин. Особенности алгоритмов бесплатформенных инерциальных навигационных систем: В кн. Вопросы управления космическими аппаратами. Под ред. Б.Н. Петрова, М., Мир, 1975.

7. Брамберг П.В. Теория инерциальных систем навигации, -М. Наука, 19798; Y. Gatherin, В. Dessus Traveling wave laser gyrocompass. IEEE GE-4, 1967, p.449. .■ .

8. А1Д; Богданов. Гироскопы на лазерах. M. Воениздат. 1973.

9. С.И. Бычков, Д.П. Лукьянов, А.И: Бакаляр. Лазерный гироскоп. М., Сов. Радио, 1975.

10. Г.М. Кузнецов, М.А. Сергеев, В.В. Эймбке. Об определении азимута лазерным гироскопом. Изв. ВУЗов. Приборостроение. Т. 19, №6, 1976

11. В:Е. Привалов Газоразрядные лазеры в судовых измерительных комплексах, Л., Судостроение,, 1977 г.

12. В.Е. Привалов Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах, Л:, Судостроение, 1989.

13. В.В; Серегин, P.M. Кукуев. Лазерные гирометры и их применение. М., Машиностроение, 1990.

14. Ю.Ю. Колбас, З.С. Менакер, В.П.Самойлов, Г.И.Телегин Навигационные системы на базе лазерных гироскопов для проходческих и буровых работ. Метро, №1, 1993.

15. Ю.Ю. Колбас, З.С. Менакер, Г.И.Телегин. Навигационные системы на базе---лазерных гироскопов-для проходческих- и буровых -работ. Механизациястроительства, №7, 1993.

16. Ю.Ю. Колбас, З.С. Менакер, В.И.Минаев, Г.И.Телегин. Устройство автоматического управления движением продавливаемого трубопровода. Патент РФ № 93013563/03, 1994.

17. Ю.Ю. Колбас, З.С. Менакер, В.П. Самойлов, Г.И. Телегин, В.В. Неретин, В.П. Самойлов. Устройство для определения углового положения проходческого щита. Патент РФ № 5054200/03, 1994.

18. Ю.Ю. Колбас, Телегин Г.И., С.Г. Скроцкий, А.Б. Колчев. Статический лазерный гирокомпас. Гироскопия и навигация №1 (8), 1995.

19. Ю.Ю. Колбас, Г.И.Телегин, С.Г. Скроцкий, В.П. Самойлов Применение лазерных гироскопических систем при проведении подземных работ. Гироскопия и навигация №1 (8), 1995.

20. B.C. Ермаков, А.Г. Максимов, В.Ф. Крупнов, И.А. Дедок "О применениии модуляционного гироскопа в судовом гирокомпасе". IX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. С.-Пб., 2002.

21. И. Патюрель. Волоконно- оптические гироскопы фирмы IXSEA и системы на их основе. Гироскопия и навигация, №3, 2004.

22. Ю. Голяев, А. Исаев, Ю. Колбас, С. Лантратов, В. Минзар, Г. Телегин. Гирокомпас на основе лазерного гироскопа с магнитооптическим управлением. Электроника, №8, 2006.

23. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, А.П.Рассказов. Аппроксимация воспроизводимых временных и температурных зависимостей смещения нуля кольцевого лазера. Электронная техника, серия 11, вып. 2(58), 1991.

24. В.Г. Дмитриев, Ю.Д. Голяев, Ю.А. Винокуров, Ю.Ю. Колбас, Н.В. Тихменев Лазерный гироскоп повышенной точности. Материалы 15 Международной конференции по интегрированным навигационным системам. С. Петербург, 2008.

25. В.Н. Харисов, А.И. Петров, В.А. Болдин. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.ИПРЖР, 1999.

26. Ф. Ароновиц. Лазерный гироскоп. В кн. Применение лазеров, под ред. В.П. Тычинского. М., Мир, 1974.

27. Волновые и флуктуационные процессы в- лазерах. Под. Ред. Ю.Л. Клймантбвича. М., Наука, 1974. -

28. А.Б. Колчев, П.Б. Ларионов, A.A. Фомичев. Исследование тепловых дрейфов лазерного гироскопа с магнитооптической частотной подставкой. Исследовано в России, 2006, с. 2388.2397.

29. В.Н. Курятов, П.С. Ланда, Е.Г. Ларионцев. Частотные характеристики кольцевого лазера на колеблющейся подставке. Изв. Вузов, Сер. Радиофизика, 1968, т. 11, с. 1839.

30. И.М. Хошев. К теории кольцевого лазера со знакопеременной частотной подставкой. Квантовая электроника, 1980, т.7, №5, с. 953.

31. Голяев Ю.Д., Ю.Ю. Колбас, Толстенко К.А., Найда О.Н., Чубарь A.B. Способ создания знакопеременной частотной подставки в кольцевом лазере. Авторское свидетельство № 1533599 Гос. Реестр СССР, 1989

32. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Н.В. Тихменев, Н.И. Хохлов. Исследование влияния крутизны фронтов и шумов прямоугольной периодической подставки на частотную характеристику кольцевого лазера. Электронная техника, серия 11, вып. 4(40), 1986.

33. Ю.Д. Голяев, К.А Толстенко., O.IT. Найда, A.B. Чубарь. О десинхронизирующем эффекте различных видов шумовых компонент прямоугольной периодической частотной подставки. Электронная техника, серия И, вып. 4(52), 1989.

34. A.M. Хромых. Динамическая характеристика кольцевых лазеров с периодической частотной подставкой. Электронная техника, с. 11 -Лазерная техника и оптоэлектроника, 1990, в.1(53).

35. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Г.И. Телегин. Нестабильность и нелинейность выходных характеристик волоконно- кольцевых интерферометров. Квантовая электроника, 17, №1, 1990г.

36. Ю.Д. Голяев, В.Г. Дмитриев, Ю.Ю. Колбас, Г.И. Телегин. Кольцевой интерферометр. Авторское свидетельство № 1588077 Гос. Реестр СССР, 1994

37. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Г.И. Телегин Кольцевой лазер. Авторское свидетельство № 1632319 Гос. Реестр СССР, 1990

38. Ю.Д. Голяев, К.А Толстенко, Г.И. Телегин, С.О. Яременко. Случайная ошибка кольцевого лазера со знакопеременной частотной подставкой и шумовым десинхронизирующим сигналом. Электронная техника, с. 11 -Лазерная техника и оптоэлектроника, в.4(56), 1990

39. В.В. Азарова, Ю.Д. Голяев, В.Г. Дмитриев. Кольцевые газовые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии. Квантовая электроника, 30, №2, 2000, с.96-104.

40. A.M. Хромых, А.И. Якушев. Влияние пленения резонансного излучения на эффект Зеемана в кольцевом лазере. Квантовая электроника, 1977, т.4 №1.

41. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Т.И.Соловьева, Б.Т.Мещеряков. Способ определения масштабного коэффициента кольцевого лазера. Патент РФ№ 1797432, 1993.

42. Акселерометр кварцевый АК-6. Сайт ОАО «Серпуховский завод «Металлист», www.szmetallist.ru.

43. Акселерометр капиллярный АК5-50М. Сайт ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА». www.temp-avia.ru.

44. Асе Б. А., Антипов Е. Ф., Жукова Н. М. Детали авиационных приборов. М.: Машиностроение, 1979

45. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас Использование кольцевых лазеров для измерениянаправлений на полюса вращения Земли. Квантовая электроника, 2011 г. В печати.

46. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас Ошибка дискретности выходного сигнала кольцевого лазера с периодической подставкой. ЖТФ, т. 17, в.8, 1991.

47. Ю.Д. Голяев, В.Г. Дмитриев, A.A. Казаков, Ю.Ю. Колбас, М.М. Назаренко, Н.В. Тихменев, А.И. Якушев. Способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом. Патент РФ №2408844, 2011 г.

48. Отчет по НИР "Феникс". ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха. М., 2006.

49. Отчет по ОКР "Куплет-А"." ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха. М., 1993.