Методика проектирования и контроля блоков чувствительных элементов для бесплатформенных инерциальных навигационных систем с неортогональной ориентацией измерительных осей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Туркин Виталий Андреевич

• Туркин Виталий Андреевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Туркин Виталий Андреевич

Принятые условные обозначения

Введение

Глава 1. Анализ состояния современных избыточных блоков чувствительных элементов для БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей

1.1. Обзор современных БЧЭ для БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей, применяемых на объектах ракетно-космической техники

1.2. Блок измерителей угловой скорости с неортогональной ориентацией осей чувствительности (ИУС-М) для космического корабля «Союз-ТМА». Принцип работы

1.3. Блок измерителей линейного ускорения (БИЛУ) с неортогональной ориентацией осей чувствительности для космических кораблей «Союз-ТМА», «Союз-МС» и «Прогресс-МС». Принцип работы

Выводы по главе

Глава 2. Разработка математических моделей каналов измерения угловой скорости и линейного ускорения на ранней стадии проектирования БЧЭ как составных частей БИНС

2.1. Математическая модель измерительного канала избыточного измерителя угловой скорости с неортогональной ориентацией ОЧ на примере прибора

ИУС-М

2.1.1. Функционально-кинематическая и электрические схемы измерительного канала прибора ИУС-М

2.1.2. Описание математической модели измерительного канала прибора ИУС-М для расчета АФЧХ

2.1.3. Описание математической модели измерительного канала прибора ИУС-М в режиме измерения угловой скорости

2.1.4. Результаты расчета АФЧХ и графиков переходных процессов в режиме измерения скорости

2.1.5. ПМО для реализации математической модели прибора ИУС-М

2.2. Математическая модель измерительного канала избыточного измерителя линейного ускорения с неортогональной ориентацией ОЧ на примере прибора БИЛУ

2.2.1. Функционально-кинематическая и электрические схемы измерительного канала прибора БИЛУ

2.2.2. Описание математической модели КМА для расчета АФЧХ

2.2.3. Описание математической модели КМА для расчета переходных процессов прибора в режиме измерения линейного ускорения

2.2.4. Результаты расчета частотных характеристик и графиков переходных процессов

2.2.5. ПМО для реализации математической модели измерительного канала прибора БИЛУ

Выводы по главе

Глава 3. Разработка алгоритмов и специального ПМО для контроля параметров избыточных БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей автоматизированными автономными средствами на этапе производства

3.1. Разработка алгоритмов контроля параметров избыточных БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей на этапе производства

3.1.1. Разработка алгоритмов контроля избыточных измерителей угловой скорости с неортогональной ориентацией осей чувствительности на примере прибора ИУС-М

3.1.2. Разработка алгоритмов контроля избыточных измерителей линейного ускорения с неортогональной ориентацией ОЧ на примере прибора БИЛУ

3.2. Разработка ПМО для реализации предложенных алгоритмов в условиях производства

3.2.1. Разработка ПМО для прибора ИУС-М

3.2.2. Разработка ПМО для прибора БИЛУ

3.3. Проектирование технических устройств для обеспечения функционирования разработанных алгоритмов и ПМО

Выводы по главе

Глава 4. Введение комплексного параметра для контроля БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей в условиях производства и на входном контроле перед установкой на объект

4.1. Обоснование необходимости введения комплексного параметра для контроля БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей в условиях производства и на входном контроле перед установкой на объект

4.2. Применяемые методы формирования матрицы направляющих косинусов и псевдообратной матрицы для избыточных БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей

4.2.1. Матрица направляющих косинусов прибора ИУС-М

4.2.2. Метод формирования псевдообратной матрицы

4.2.3. Методика расчета комплексного параметра БЧЭ

Выводы по главе

Глава 5. Результаты экспериментальных исследований

5.1. Результаты экспериментальной проверки в условиях наземных испытаний, включающих контроль основных параметров прибора ИУС-М

5.2. Результаты экспериментальной проверки в условиях наземных испытаний, включающих контроль основных параметров приборов БИЛУ с аналоговой обратной связью и БИЛУ-М с цифровой обратной связью

5.3. Результаты экспериментальной проверки прибора БИЛУ-М с цифровой обратной связью до и после лётных испытаний

5.3.1. Статистическая обработка параметров (I направление)

5.3.2. Анализ временной сохраняемости параметров прибора БИЛУ-М с цифровой обратной связью (II направление)

5.3.3. Статистическая обработка параметров партии приборов БИЛУ (III направление)

Выводы по главе

Заключение

Литература

Приложения

Приложение 1. Методика расчета параметров схемы температурной

компенсации

п1.1. Расчет параметров схемы температурной компенсации

п1.2. Расчет исходных данных для определения сопротивления термошунта и добавочных сопротивлений

Приложение 2. Числовые данные для расчетов

Приложение 3. Графики АФЧХ и переходных процессов измерительного канала прибора ИУС-М

Приложение 4. Графики тестовых воздействий ИУС-М

Приложение 5. Графики АФЧХ и переходных процессов измерительного канала прибора БИЛУ

Приложение 6. Копии актов внедрения результатов работы

Принятые условные обозначения

АОС - аналоговая обратная связь;

АФЧХ - амплитудная фазовая частотная характеристика;

БИЛУ - блок измерителей линейных ускорений;

БИБ - бесплатформенный инерциальный блок;

БИНС - бесплатформенная инерциальная навигационная система;

БПИ - блок преобразования информации;

БЧЭ - блок чувствительных элементов;

ВИП - вторичный источник питания;

ВОГ - волоконно-оптический гироскоп;

ВТГ - волновой твердотельный гироскоп;

ГБ - гироблок;

ГИВУС - гироскопический измеритель вектора угловой скорости; ДМ - датчик момента;

ДНГ - динамически настраиваемый гироскоп;

ДУ - датчик угла;

ДУС - датчик угловых скоростей;

ИК - измерительный канал;

ИКУ - измеритель кажущегося ускорения;

ИОБ - инерциальный отсчетный блок;

ИУС - измеритель угловой скорости;

ИЧЭ - инерциальный чувствительный элемент;

КА - космический аппарат;

КК - космический корабль;

КМА - кварцевый маятниковый акселерометр;

КП - комплексный параметр;

ЛГ - лазерный гироскоп;

МК - масштабный коэффициент;

МКС - международная космическая станция;

МНК - матрица направляющих косинусов;

ММ - математическая модель;

НС - нулевой сигнал;

ОДГ - оптическая делительная головка;

ОЧ - ось чувствительности;

ПГБ - поплавковый гироблок;

ПМО - программно-математическое обеспечение;

ПНЧ - преобразователь «напряжение-частота»;

ПИП - первичный источник питания;

ПУ - предварительный усилитель;

САУ - система автоматического управления;

ССНС - систематическая составляющая нулевого сигнала;

СУ - система управления;

ТУ - технические условия;

ТЗ - техническое задание;

УМ - усилитель мощности;

УОС - усилитель обратной связи;

ФЧВ - фазочувствительный выпрямитель;

ЦОС - цифровая обратная связь;

ЦСУ - цифровая система управления;

ЧЭ - чувствительный элемент;

ЭВМ - электронная вычислительная машина.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика проектирования и контроля блоков чувствительных элементов для бесплатформенных инерциальных навигационных систем с неортогональной ориентацией измерительных осей»

Введение

Базовым мировым направлением развития систем управления (СУ) летательными аппаратами является технология бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [1, 5, 12, 14-17, 19, 27, 32, 35, 53, 68, 69]. Это направление определяет тенденции развития технологии инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ) [6, 20, 25, 31, 35, 47, 48, 51, 56, 57, 65, 66, 67, 70-72, 77-79] - измерителей угловых скоростей (ИУС) и измерителей кажущихся ускорений (ИКУ), т.к. ИЧЭ должны быть максимально адаптированы к условиям применения в бесплатформенной системе [19, 71].

Кроме этого, первичные измерители блоков чувствительные элементов (БЧЭ) должны обладать динамическими характеристиками с соответствующими показателями качества, оговорёнными в техническом задании (ТЗ), обеспечивающими устойчивую работу СУ при воздействии внешних возмущающих факторов [3, 11, 30, 50, 58, 80, 82, 83, 97, 98].

В настоящее время, как правило, в ракетно-космической технике идёт модернизация объектов в плане создания новых, в основном цифровых, систем управления при сохранении общей структуры объекта [2, 23, 37, 55, 87, 89]. В случае подобных модернизаций важную роль играет фактор времени. Создание алгоритмов системы управления, прошиваемых в бортовую ЭВМ, и создание навигационных приборов с аналоговыми и цифровыми СУ должны идти практически одновременно. Но на проектирование нового навигационного прибора и БЧЭ на его основе уходит минимум 5 лет, поэтому модернизация СУ объектом может затягиваться, что в современных условиях весьма нежелательно. Развитие компьютерной техники, новых языков программирования в последние годы и резкое увеличение мощности современных процессоров привели к развитию мощных средств математического моделирования, позволяющих создать математические модели (ММ) навигационных приборов и СУ, адекватных реальным приборам. Это позволяет вначале создать математическую модель будущего навигационного прибора и отлаживать с её помощью алгоритмы СУ объектом, прошиваемые в бортовую ЭВМ.

Настоящая работа посвящена методике проектирования и контроля блоков чувствительных элементов для БИНС ракетно-космического назначения. Именно в БИНС этого назначения используются БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей (осей чувствительности (ОЧ) первичных измерителей), которые в дальнейшем будем называть избыточными БЧЭ.

Блоки чувствительных элементов для БИНС, содержащих в качестве ИЧЭ измерители угловых скоростей и измерители кажущихся ускорений, ОЧ которых ориентированы неортогонально, т.е. расположены под определенными углами к осям системы координат, связанной с летательным аппаратом (базовой системой координат), получили широкое распространение в системах управления ракетно-космической техники, так как обеспечивают надёжность приборов - работу при 2-х и 3-х отказах. В отечественном приборостроении разработано множество методов формирования избыточной информации, обеспечивающей повышение надежности системы, в том числе по количеству измерительных осей с их неортогональной ориентацией относительно базовой системы координат. Этой проблеме посвящены работы известных учёных, таких как В.Н. Бранец, И.П. Шмыглевский, Д.М. Климов, Ю.К. Жбанов, Л.В. Водичева, Л.Н. Бельский, Е.А. Измайлов, А.Д. Епифанов, Б.Н. Окоемов, В.И. Решетников, В.Я. Распопов, В.В. Матвеев, В.В. Алёшкин и ряда других авторов [4, 13, 18, 26, 55, 56, 59, 62, 86, 99].

Неортогональная ориентация ОЧ выбирается разработчиком на основе многочисленных вариантов с учетом обеспечения заданных габаритно-массовых характеристик проектируемой БИНС. Большое внимание уделяется выбору первичных измерителей, оси чувствительности которых должны быть ориентированы под оптимальными углами к осям базовой системы координат. В настоящее время отечественное приборостроение располагает значительным количеством типов ИУС [20, 25, 31, 51], таких как поплавковые датчики угловых скоростей (ДУС), волоконно-оптические (ВОГ), лазерные (ЛГ), волновые твердотельные гироскопы (ВТГ), гироскопы, основанные на свойствах ядерного магнитного резонанса, а также различные микромеханические

гироскопы. Среди современных ИКУ [39, 47, 48, 54, 55, 60, 61,77] можно выделить поплавковые маятниковые акселерометры линейных ускорений, струнные маятниковые акселерометры, кварцевые маятниковые акселерометры (КМА), кремниевые маятниковые и микромеханические акселерометры.

Выбор того или иного типа первичного измерителя при конструировании БИНС определяется, прежде всего, соответствием его точностных и эксплуатационных характеристик требованиям системы управления, приведенным в ТЗ на проектирование БИНС. Выбор компоновки избыточной БИНС с неортогональной ориентацией ОЧ ИЧЭ в виде отдельных блоков чувствительных элементов ИУС и ИКУ, либо в виде блока, содержащего одновременно и те, и другие измерители вместе с бортовым процессором, определяется как выполнением требований к габаритно-массовым характеристикам, так и специальными требованиями системы управления.

Однако, избыточные БИНС с неортогональной ориентацией ОЧ накладывают дополнительные требования к выбору ИЧЭ, поскольку не все первичные измерители требуемой точности позволяют создать БИНС с заданными габаритно-массовыми характеристиками. Так, например, поплавковые ДУС, ВТГ, кварцевые и кремниевые маятниковые акселерометры вследствие специфики своей конструкции позволяют компоновать БИНС с приемлемыми габаритно-массовыми характеристиками и неортогональной ориентацией ОЧ ИЧЭ, а прецизионные ВОГ и ЛГ из-за значительной величины диаметра корпуса прибора - нет [56].

Основными требованиями к навигационным системам изделий ракетно-космической техники являются:

1) высокая точность измерения проекций вектора угловой скорости и проекций вектора кажущегося (линейного) ускорения;

2) высокая надежность (работа при трех отказах);

3) высокая временная стабильность параметров.

БЧЭ для БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей обладают структурной надёжностью, под которой понимают формирование в

системе дополнительной информации, позволяющей при наличии отказа в одном из измерительных каналов на основе избыточности информации получать достоверные данные о действующих на объект угловой скорости и кажущегося ускорения для выполнения навигационной задачи. Такие системы, например, состоящие из 6 ИУС или ИКУ позволяют определить до 2-х каналов, выдающих ошибочную информацию [12, 13, 56].

Вместе с тем, при проектировании, изготовлении и контроле избыточного БЧЭ до и после проведения летных испытаний недостаточно исследованы следующие актуальные проблемы:

1. рациональность выбора на ранней стадии проектирования основных технических решений;

2. качество контроля параметров БЧЭ при изготовлении в производстве;

3. возможность оперативного высокоточного контроля параметров БЧЭ при проведении входного контроля на предприятии-потребителе перед установкой в СУ космического корабля (КК), учитывая сложность и трудоёмкость проверки параметров блоков с неортогональной ориентацией измерительных осей;

4. обеспечение сохранения значений параметров БЧЭ после летных испытаний.

Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных этапов.

1. Рациональность выбора на ранней стадии проектирования основных технических решений. Поскольку практически невозможно изменить уже разработанный и изготовленный БЧЭ для БИНС раздельного типа, необходимо на ранних этапах проектирования обеспечить выбор рациональных параметров системы. Поэтому в начале разработки БЧЭ из ИУС и ИКУ необходимо формирование математической модели (ММ) измерительных каналов БЧЭ и построение ММ избыточных приборов для ее «стыковки» с программно-математическим обеспечением (ПМО), реализующим алгоритмы работы СУ КК [12, 13]. Разработанная ММ должна быть передана головному предприятию для принятия решения о целесообразности дальнейшей реализации

выбранных технических решений, либо внесения соответствующих корректировок. В настоящее время имеется целый ряд типов первичных измерителей угловой скорости и линейного ускорения, на которых можно построить БЧЭ. В работе в качестве примера рассматривается реализация математиче -ских моделей, необходимых для оценки рациональности выбранных технических решений, для конкретных типов первичных измерителей - поплавкового ДУС и КМА. Это не нарушает общности решаемой задачи, поскольку аналогичные математические модели могут быть разработаны для других первичных измерителей с учетом их особенностей.

2. Качество контроля параметров БЧЭ при изготовлении в производстве. Для разработанных приборов изготавливаются образцы для отработочных наземных испытаний. Для этого этапа их изготовления разрабатывается методика, которая предполагает разработку специализированного ПМО для контроля параметров ИУС и ИКУ в диапазоне рабочих температур автоматизированными средствами с использованием специального оборудования. Сложность решаемой задачи обусловлена неортогональной ориентацией осей чувствительности первичных измерителей. Для контроля параметров приборов каждый первичный измеритель необходимо ориентировать так, чтобы его ОЧ занимала строго определенное положение относительно вектора угловой скорости вращения Земли или вектора ускорения силы тяжести. На примере выбора конкретных первичных измерителей для избыточного БЧЭ с неортогональным расположением ОЧ показано, каким должно быть сочетание ПМО и специального испытательного оборудования для обеспечения ориентации ОЧ каждого первичного измерителя в заданное положение относительно вектора угловой скорости Земли или вектора ускорения силы тяжести, с оптимизацией процесса контроля параметров БЧЭ. При этом не нарушается общность предложенной методики, поскольку она применима для любого варианта выбора первичных измерителей.

3. Возможность оперативного высокоточного контроля параметров БЧЭ при проведении входного контроля на предприятии-потребителе

перед установкой в СУ КК, учитывая сложность и трудоёмкость проверки параметров блоков с неортогональной ориентацией измерительных осей. После проведения отработочных наземных испытаний и начала поставок штатных приборов для летных испытаний на головном предприятии каждый поставляемый прибор проходит входной контроль. ПМО для входного контроля БЧЭ с неортогональной ориентацией ОЧ должно обеспечивать объективную надежную проверку параметров при рациональном количестве измерительных средств и временных затрат. Для этого этапа изготовления прибора разрабатываемая методика предлагает оригинальные способы контроля штатной информации БЧЭ, основанные на введении комплексного параметра, проверка которого позволяет гарантировать соответствие установленным допускам всех параметров БЧЭ, внесенных в формуляр прибора и далее прошиваемых в память бортовой ЭВМ СУ КК. В качестве комплексного параметра принимается:

- для ИУС - погрешность измерения всеми первичными измерителями модуля вектора угловой скорости вращения Земли в месте контроля;

- для ИКУ - погрешность измерения всеми первичными измерителями модуля вектора ускорения силы тяжести в месте контроля.

Разрабатывается методика формирования допуска на комплексный параметр. Разрабатывается ПМО для контроля комплексного параметра, в основу которого положены алгоритмы, применимые для избыточных БЧЭ с любым вариантом неортогональной ориентации ОЧ и для любого выбора типов первичных измерителей.

4. Обеспечение сохранения значений параметров БЧЭ после летных испытаний. Условием сохранения значений параметров приборов на данном этапе предлагается считать соответствие значений параметров БЧЭ, полученных после летных испытаний, допускам, записанным в формуляр прибора.

Целью работы является разработка методики проектирования и контроля избыточных БЧЭ для БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей, используемой на всех этапах от создания математических моделей пер-

вичных измерителей до лётных испытаний, включая проверки параметров приборов при изготовлении и перед установкой в СУ космического корабля (КК) и анализ сохранения значений параметров БЧЭ до и после летных испытаний.

Комплекс задач, необходимый для выполнения поставленной цели, включает:

1. Разработку математической модели измерительных каналов блоков ИУС и ИКУ.

2. Построение математической модели избыточных БЧЭ для «стыковки» ПМО, реализующим алгоритмы работы СУ КК, и проверки их работоспособности в комплексе. В результате совместной отработки возможна корректировка динамических характеристик прибора в плане обеспечения требуемых показателей качества системы автоматического управления.

3. Разработку алгоритмов и специального ПМО для контроля параметров избыточных БЧЭ в диапазоне рабочих температур с использованием специального оборудования в условиях производства.

4. Введение комплексного параметра для оперативного высокоточного контроля приборов на предприятии-потребителе перед установкой в СУ КК, проверка которого позволяет гарантировать соответствие установленным допускам всех параметров БЧЭ и исключает использование трудоемких алгоритмов, применяемых при контроле на предприятии-изготовителе.

5. Разработку алгоритмов и ПМО для контроля комплексного параметра на предприятии-потребителе.

6. Разработку методики формирования допуска на комплексный параметр, на этапе проектирования на основе допусков, заданных в ТЗ на прибор.

7. Анализ сохранения значений параметров БЧЭ до и после летных испытаний.

Реализация всех семи пунктов комплекса задач и составляет суть предлагаемой методики, являющейся целью настоящей диссертационной работы.

Методы исследования применены теоретические и экспериментальные. В теоретических исследованиях используется аппарат теории автоматического управления, вычислительная математика, программирование и компьютерное моделирование. В качестве экспериментальных методов использовались результаты наземных испытаний разработанных приборов и результаты многократных лётных испытаний в составе систем управления кораблей «Союз-ТМА», «Союз-МС», «Прогресс-МС».

Объектом исследования в диссертационной работе являются:

1) Избыточный БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей по образующим круглого конуса шести поплавковых ДУС - прибор «Измеритель угловой скорости - модернизированный» (ИУС-М).

2) Избыточный БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей по образующим круглого конуса шести КМА - прибор БИЛУ (блок измерителей линейного ускорения) с аналоговой обратной связью (АОС) в каждом измерительном канале и прибор БИЛУ-М с цифровой обратной связью (ЦОС) в каждом измерительном канале.

Достоверность исследования подтверждается результатами экспериментальных проверок при контроле БЧЭ на всех этапах производства на предприятии-изготовителе - филиале АО «НПЦАП» - «ПО «Корпус» (далее ПО «Корпус») и на входном контроле на предприятии-потребителе - РКК «Энергия» перед установкой на КК, а также результаты летных испытаний и проверок образцов БЧЭ после летных испытаний.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1) впервые разработана оригинальная методика проектирования и контроля избыточных блоков ИУС и ИКУ для БИНС с неортогонально ориентированными измерительными осями, используемая на всех этапах от создания математических моделей первичных измерителей до лётных испытаний, а также проверки параметров приборов при изготовлении и перед установкой в СУ космического корабля. Соответствует п.9, п. 11 и п. 18 паспорта научной специальности 2.2.5;

2) впервые предложен комплексный параметр для оперативного высокоточного контроля приборов на предприятии-потребителе перед установкой в СУ КК, проверка которого позволяет гарантировать соответствие установленным допускам всех параметров БЧЭ. Соответствует п.9 и п. 11 паспорта научной специальности 2.2.5;

3) впервые разработана оригинальная методика формирования допуска на комплексный параметр, применяемая на этапе проектирования на основе допусков, заданных в ТЗ на прибор. Соответствует п.9 и п.11 паспорта научной специальности 2.2.5;

Практическая значимость диссертационной работы заключается:

1) во внедрении разработанной методики проектирования и контроля избыточных блоков ИУС и ИКУ на конкретных образцах БЧЭ - приборах ИУС-М, БИЛУ и БИЛУ-М;

2) в формировании математических моделей приборов и отработке алгоритмов работы СУ КК совместно с ними, что позволило исключить испытательный полет КК в беспилотном режиме, сэкономив, тем самым, достаточно большие финансовые средства;

3) предложенный комплексный параметр введен эмпирическим путем, а его эффективность доказана более чем двадцатилетним практическим применением при контроле БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей перед установкой в СУ КК «Союз» и «Прогресс», что позволило сократить время входного контроля прибора с одной недели до трех часов;

4) в разработке специализированного ПМО для контроля комплексного параметра и формирования допуска на него, в основу которого положены алгоритмы, применимые для избыточных БЧЭ любого назначения и для любого выбора типов первичных измерителей.

Методика использовалась на всех этапах производства приборов, включая летные испытания и анализ параметров прибора после летных испытаний. Методика была внедрена в 2002 году и позволила существенно повысить оперативность и качество контроля БЧЭ, сократить время входного контроля при-

боров перед установкой в СУ КК и уменьшить финансовые затраты на проведение входного контроля прибора на предприятии-потребителе за счёт исключения необходимости использования сложного оборудования. Методика подтверждена использованием по настоящее время на 86 приборах БИЛУ и БИЛУ-М для СУ космических кораблей «Союз-ТМА», «Союз-МС» и «Про-гресс-МС».

На защиту выносятся:

1) Методика проектирования и контроля избыточных блоков ИУС и ИКУ, которая использовалась на всех этапах - от начала создания прибора до летных испытаний.

2) Комплексный параметр, введённый для оперативного высокоточного контроля приборов на предприятии-потребителе перед установкой в СУ КК, проверка которого позволяет гарантировать соответствие установленным допускам всех параметров БЧЭ.

3) Методика формирования допуска на комплексный параметр, применяемая на этапе проектирования на основе допусков, заданных в ТЗ на прибор.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на 20, 23, 25, 29 и 30 Санкт-Петербургских международных конференциях по интегрированным навигационным системам в ЦНИИ «Электроприбор» в 2013-2023 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 5 статей в журналах из перечня ВАК РФ, в том числе 2 статьи без соавторов, 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора в этих работах состоит в разработке методики проектирования и контроля избыточных БЧЭ для БИНС с неортогонально ориентированными измерительными осями, введении комплексного параметра и разработке методики формирования допуска на комплексный параметр, разработке алгоритмов, математических моделей и ПМО для приборов ИУС-М, БИЛУ и БИЛУ-М, проведении экспериментальных исследований.

Использование результатов. Результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы на филиале АО «НПЦАП» - «ПО «Корпус» и в РКК «Энергия». Предложенные математические модели и разработанное ПМО использованы при проектировании приборов ИУС-М, БИЛУ и БИЛУ-М для КК «Союз-ТМА», «Союз-МС» и «Прогресс-МС», разработанное ПМО используется постоянно при изготовлении приборов БИЛУ и проведении специальных испытаний на филиале АО «НПЦАП» - «ПО «Корпус» и входного контроля в РКК «Энергия» перед установкой в СУ КК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка источников, включающего 99 наименований, и шести приложений. Объем пояснительной записки составляет 173 страницы, общий объем со списком источников и приложениями - 220 страниц, в работе имеется 112 рисунков и 46 таблиц.

Глава 1. Анализ состояния современных избыточных блоков чувствительных элементов для БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей

В настоящей главе анализируется состояние современных БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей. Приводятся принцип работы и конструкция шестиканального блока измерителей угловой скорости и шес-тиканального блока измерителей линейного ускорения с неортогональной ориентацией осей чувствительности, которые рассматриваются в диссертации.

1.1. Обзор современных БЧЭ для БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей, применяемых на объектах ракетно-космической

техники

Бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) начали применяться в ракетно-космической технике с 1973 года, когда были разработаны первая цифровая система управления орбитальной космической станцией Салют-3, выведенной в тот же год на орбиту Земли, а также пилотируемым транспортным кораблем «Союз-Т», совершившим первый орбитальный полёт в 1974 году. У истоков создания современных БИНС для космических аппаратов стояли ученые из НПО «Энергия» - В.Н. Бранец, И.П. Шмыглевский и Ю.А. Бажанов [12-15].

В области авиационной техники к первым теоретическим трудам, опубликованным на эту тему, можно отнести работы А.Д. Епифанова и Б.Н. Окоемова [26, 27, 59]. Проблемы в развитии БИНС на начальном этапе сводились к тому, что измерители угловой скорости не обладали достаточным уровнем точностных характеристик, поэтому разработчиками первых БИНС - В.Н. Бранцем и Ю.А. Бажановым была поставлена задача перед учеными Научно - исследовательского института проблем механики (НИИПМ) имени академика В.И. Кузнецова создать прибор навигационного класса точности и такой прибор - поплавковый гироскоп с газодинамической опорой ротора и магнитным центрированием его подвеса был разработан к началу 1980-х го-

дов [12, 14, 15, 20, 25, 66, 67]. Прибор должен был обладать погрешностью нулевого сигнала не ниже

погрешностью масштабного коэффициента

- не хуже 0, 005 %, а также должен был быть устойчивым к вибрационным и температурным воздействиям. Устойчивость к вибровозмущениям обеспечивал поплавковый тип гироскопа, а устойчивость к температурным воздействиям обеспечивалась за счет внутреннего обогрева поддерживающей жидкости. Это привело к увеличению энергопотребления гироскопа, но зато существенно улучшило его точностные характеристики. К недостаткам прибора следовало отнести малый диапазон измеряемых угловых скоростей - не выше 3 - 5 °/с, обусловленный необходимостью минимизацией моментов трения в датчике момента гироскопа. К удобствам компоновки приборов поплавкового типа в БЧЭ с неортогональной ориентацией измерительных осей следует отнести цилиндрическую форму корпуса прибора, которая позволяет минимизировать габаритные характеристики БЧЭ. Таким образом, в 1980 - е

- 1990-е годы в избыточных БЧЭ для БИНС применялись, в основном, поплавковые гироскопы навигационного класса точности, во - первых, потому, что на тот момент иных типов гироскопов, обладающих необходимыми техническими характеристиками для прецизионных БИНС просто не было, а, во

- вторых, вследствие удобства цилиндрической формы корпуса прибора для компоновки в БЧЭ.

1990-е - начало 2000-х годов характеризовались развитием ИЧЭ, основанных на новых физических принципах. Появились волоконно - оптические гироскопы (ВОГ), лазерные (ЛГ), волновые твердотельные (ВТГ), гироскопы на основе эффекта ядерного магнитного резонанса (ЯМГ) навигационного класса точности [31, 56, 65, 68, 71]. Улучшили свои точностные характеристики, в том числе и электромеханические гироскопы, такие как ранее рассмотренные - поплавковые и динамически настраиваемые (ДНГ) [20, 25, 44, 46, 64]. Во многом это было связано с совершенствованием технологий производства как самих ИЧЭ, так и развитием микроэлектроники и процессорной техники, что позволило уменьшить энергопотребление приборов и

их габаритно - массовые характеристики, развивать и увеличивать мощность бортовых компьютеров и переходить к цифровым системам управления самими ИЧЭ [21, 29, 89, 90, 91, 98]. Эти тенденции относились как к приборам навигационного, так и среднего класса точности. Кроме того, в 1990-е годы стали появляться технологии производства микромеханических гироскопов, так называемые МЭМС - технологии, которые позволили практически полностью вытеснить к настоящему времени электромеханические приборы из категории гироскопов грубого диапазона измерений [53,71].

В те же самые годы развивались и измерители кажущегося ускорения -акселерометры. На смену гироскопическим интеграторам линейных ускорений (ГИЛУ) пришли вначале - струнные акселерометры, а позже - прецизионные поплавковые акселерометры. В 1990-е - 200-е годы получили развитие кремниевые (Si - flex) и кварцевые (Q - flex) технологии, которые позволили производить измерители кажущегося ускорения всех трех диапазонов измерения: грубого, среднего и прецизионного. Ныне к акселерометрам среднего и грубого класса точности относятся приборы, изготовленные с применением кремниевых технологий, а к приборам навигационного класса точности относятся поплавковые и кварцевые маятниковые акселерометры [6, 7, 22, 23, 36-43, 47, 48, 54, 55, 61, 63, 77].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Туркин Виталий Андреевич, 2024 год

Литература

1. Global Positioning System, Inertial Navigation, and Integration / Mohind-er S. Grewal, Lawrence R. Weill, Angus P. Andrews. John & Sons, Inc. 2001.

2. Vitaliy Turkin, Dmitriy Kalikhman, Ekaterina Deputatova, Alexey Lvov, Svetlana Pchelintseva, Valeriy Gorbachev, and Vitaliy Nikiforov. Ensuring the Robustness of Modern Mechatronic Systems Using Artificial Intelligence Methods // Artificial Intelligence in Models, Methods and Applications: This Springer imprint is published by the registered company Springer Nature Switzerland AG, 2023, P.459-476.

3. Александров А.Г. Методы построения систем автоматического управления. М.: Физматлит, 2008. 230 с.

4. Алехова Е.Ю., Жбанов Ю.К., Климов Д.М. Использование избытка осей чувствительности для повышения точности измерений // Механика твердого тела. № 5. 2013. С. 24-27.

5. Андреев В. Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. М.: Наука, 1966. 579 с.

6. Андрейченко К.П. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров. М.: Машиностроение, 1987. 128 с.

7. Андрейченко К.П., Андрейченко Д.К., Калихман Д.М. Температурная погрешность кварцевого акселерометра // Гироскопия и навигация. №2. 1999. С. 18-30.

8. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1973. 631 с.

9. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974. 463 с.

10. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: Наука, 19591960. Т.1. 464 с.; Т.2. 620 с.

11. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 767 с.

12. Бранец В.Н. Лекции по теории бесплатформенных инерциальных навигационных систем. М.: МФТИ, 2009.

13. Бранец В.Н., Дибров Д.Н., Рыжков В.С. Диагностика и вычисление параметров ориентации избыточных бесплатформенных навигационных систем (БИНС) // Механика и навигация. Материалы научной сессии, посвящённой 85-летию академика РАН А.Ю. Ишлинского. Санкт-Петербург, 1999. C. 22-33.

14. Бранец В.Н., Севастьянов Н.Н., Федулов Р.В. Лекции по теории систем ориентации, управления движением и навигации. Томск: Изд-во Томского университета, 2013. 309 с.

15. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. М.: Наука, 1992.

16. Вайсгант И.Б. и др. Инерциальные навигационные системы морских объектов. Л.: Судостроение, 1989. 183 с.

17. Водичева Л.В. Отказоустойчивый бесплатформенный инерциальный измерительный блок: пути оптимизации // Сборник материалов VIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2001. С. 85-87.

18. Водичева Л.В. Повышение надёжности и точности бесплатформенного инерциального измерительного блока при избыточном количестве измерений // Гироскопия и навигация. №1. 1997. С. 55-67.

19. Водичева Л.В., Бельский Л.Н., Парышева Ю.В., Лысцов А.А. Инер-циальные измерительные блоки перспективных изделий ракетно-космической техники: обеспечение отказоустойчивости // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. Т. 17. № 1. 2018. С. 28-44.

20. Волынцев А.А. и др. Опыт создания высокоточных поплавковых ги-роприборов, применяемых в системах угловой ориентации и стабилизации космических аппаратов и станций // Сборник материалов X Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2003. С. 226-234.

21. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. М.: Энергоатомиздат, 1987. 320 с.

22. Гребенников В.И., Депутатова Е.А., Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Скоробогатов В.В. Маятниковый акселерометр с цифровым управлением и новыми функциональными возможностями // Известия РАН. Теория и системы управления, № 2, 2021. С. 73-95.

23. Гребенников В.И., Депутатова Е.А., Калихман Д.М., Скоробогатов В.В., Садомцев Ю.В. Результаты разработки акселерометра с цифровой обратной связью // Сборник трудов II Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации». Саратов: Райт-Экспо, 2012. С. 9-13.

24. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1966. 664 с.

25. Доронин В.П., Мезенцев А.П., Новиков Л.З., Решетников В.И., Глыбин И.Г., Неаполитанский А.С. Гироскопические чувствительные элементы для систем управления ориентацией и стабилизации орбитальных космических аппаратов // Сборник материалов VIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2001. С. 17-30.

26. Епифанов А.Д. Избыточные системы управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение. 1978. 144 с.

27. Епифанов А.Д. Основы проектирования систем управления летательными аппаратами. Надёжность систем управления. М.: Машиностроение. 1975.

28. Журавлёв В.Ф. Основы теоретической механики. М.: Наука, 1997. 320 с.

29. Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики: Учебник для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. 432 с.

30. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. М.: Машиностроение, 1978. 736 с.

31. Измайлов Е.А. Современные тенденции развития технологий инерци-альных чувствительных элементов и систем летательных аппаратов. М.: Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. №1, 2010. С. 30-43.

32. Измайлов Е.А., Лепе С.Н., Молчанов А.В., Поликовский Е.Ф. Скалярный способ калибровки и балансировки бесплатформенных инерциаль-ных навигационных систем // Сборник материалов XV Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2008. С. 145-154.

33. Ишлинский А.Ю. Механика гироскопических систем. М.: АН СССР, 1963. 482 с.

34. Ишлинский А.Ю. Механика относительного движения и силы инерции. М.: Наука, 1981. 191 с.

35. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976. 672 с.

36. Калихман Д.М., Калдымов Н.А., Полушкин А.В., Чеботарев-ский В.Ю. Калибровка масштабного коэффициента кварцевого маятникового акселерометра. Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе по курсу «Инерциальные и комплексные навигационные системы». Саратов: Изд-во СГТУ, 2004. 33 с.

37. Калихман Д.М., Калихман Л.Я, Скоробогатов В.В., Николаенко А.Ю., Гнусарёв Д. С. Шестиосный блок акселерометров для КК «Союз» и «Прогресс». История развития: от аналоговой системы управления измерительным каналом к цифровой // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 8. Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. С.83-106.

38. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Калдымов Н.А., Нахов С.Ф. Блок измерителей линейных ускорений с прецизионными кварцевыми акселерометрами в качестве чувствительных элементов // Сборник материалов IX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2002. С. 216-220.

39. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Калдымов Н.А., Полушкин А.В., Нахов С.Ф. Проблемы использования прецизионных кварцевых измерителей кажущихся ускорений в современных инерциальных навигационных системах управления // Сборник материалов XI Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2004. С. 157-163.

40. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Калдымов Н.А., Полушкин А.В., Нахов С.Ф. Методика и устройства для экспериментального определения динамических характеристик акселерометров линейных ускорений // Сборник материалов XII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2005. С. 242-244.

41. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Полушкин А.В., Нахов С.Ф., Бра-нец В.М., Рыжков В.Н., Дибров Д.Н. Методика аттестации блока измерения линейного ускорения с неортогональной ориентацией осей чувствительности шести кварцевых маятниковых акселерометров и методика аттестации рабочих мест для контроля блока и акселерометров // Сборник материалов XIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2006.

42. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Полушкин А.В., Нахов С.Ф., Бра-нец В.М., Рыжков В.Н., Дибров Д.Н. Измеритель вектора кажущегося линейного ускорения - прибор БИЛУ КХ69-042 для СУ спускаемого аппарата корабля «Союз-ТМА» // Сборник материалов XIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2006. С. 253-263.

43. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Полушкин А.В., Поздняков В.М., Седышев В.А., Нахов С.Ф. Проблема обеспечения линейности и стабильности масштабного коэффициента блока измерения линейного ускорения, построенного на кварцевых маятниковых акселерометрах и преобразователях

«напряжение-частота» // Материалы международной конференции «Датчики и системы - 2005». Пенза: Изд-во ФНПЦ ФГУП «НИИФИ», 2005. С. 37-38.

44. Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Скоробогатов В.В., Нахов С.Ф., Поздняков В.М., Гребенников В.И., Депутатова Е.А. Проблемы разработки современных блоков электромеханических измерителей угловой скорости и кварцевых маятниковых акселерометров для объектов ракетно-космической техники. История и перспективы развития // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10 / под научной ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 311-325.

45. Калихман Л.Я., Калихман Д.М., Депутатова Е.А., Скоробогатов В.В., Николаенко А.Ю., Лутченко А.В., Нахов С.Ф., Кожевников В.Е., Самитов Р.М. Результаты лётных испытаний шестиосного блока измерителей кажущегося ускорения на основе прецизионного кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью в составе космического корабля «Союз МС-14» // Сборник материалов XXVII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2020. С. 184-187.

46. Каргу Л.И. Гироскопические приборы и системы. Л.: Судостроение, 1988. 235 с.

47. Коновалов С.Ф. Навигационные акселерометры. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2023. 328 с.

48. Коновалов С.Ф., Никитин Е.А., Селиванова Л.М. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч.Ш. Акселерометры, датчики угловой скорости, интегрирующие гироскопы и гироинтеграторы: Учебное пособие / Под ред. Д.С. Пельпора. М.: Высшая школа, 1980. 128 с.

49. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1978. 832 с.

50. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа, 1973. 528 с.

51. Лукьянов Д.П., Распопов В.Я., Филатов Ю.В. Прикладная теория гироскопов. Спб: Изд-во ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», 2015. 315 с.

52. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989. 608 с.

53. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.

54. Мельников В.Е. Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла. М.: Машиностроение, 1984. 160 с.

55. Нахов С.Ф., Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Депутатова Е.А., Ско-робогатов В.В., Николаенко А.Ю. Опыт проектирования и изготовления блоков измерителей линейного ускорения на кварцевых маятниковых акселерометрах с аналоговой и цифровой системами управления. Саратов: Изд-во СГТУ им. Гагарина Ю.А., 2021. 240 с.

56. Негри С. Новое поколение инерциальных навигационных систем на основе ВТГ для аппаратов, обеспечивающих запуск спутников / К. Линьон и др. // Гироскопия и навигация. Том 24. №1 (92), 2016. С. 49-59.

57. Никитин Е.А., Шестов С.А., Матвеев В.А. Гироскопические системы. Элементы гироскопических приборов. М.: Высшая школа, 1988. 432 с.

58. Новый политехнический словарь / Гл. ред. А.Ю. Ишлинский. М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. 671 с.

59. Окоёмов Б.Н. Принципы проектирования гироскопических систем по критерию надёжности. М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана. 1985. 50 с.

60. Патент 104320 РФ. Акселерометр / С.Г. Кан, Е.А. Измайлов,

A.В. Молчанов, Ю.К. Савельев. Опубл. 15.11.2010.

61. Патент 2155964 РФ. Компенсационный маятниковый акселерометр /

B.М. Прокофьев, С.Ф. Коновалов, Дже-Бом Сео и др. Опубл. 23.06.1999. Бюл. № 25.

62. Патент 2382391 РФ. Способ определения отказавшего датчика в избыточной измерительной системе / Леднев Г.Я. Опубл. 20.02.2010. Бюл. № 5.

63. Патент 2528119 РФ. Термоинвариантный блок измерителей линейного ускорения с маятниковыми акселерометрами компенсационного измерения Q-Flex в качестве инерциальных чувствительных элементов и преобразователями информации «напряжение-частота» / Л.Я. Калихман, Д.М. Калихман, С.Ф. Нахов, В.М. Поздняков, Ю.С. Чурилин, В.С. Рыжков, Р.М. Самитов. Опубл. 10.09.2014. Бюл. № 25.

64. Патент 2548377 РФ. Безобогревной термоинвариантный электромеханический поплавковый измеритель угловой скорости / Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, В.И. Гребенников, В.В. Скоробогатов, С.Ф. Нахов, В.М. Поздняков, А.И. Сапожников, Е.Л. Межирицкий, В.В. Морозов, С.Н. Жура-венков. Опубл. 20.04.2015. Бюл. № 11.

65. Патрюэль И. Бесплатформенная инерциальная навигационная система на основе ВОГ с уходом одна морская миля в месяц: мечта уже достижима? / И. Онтас, Э. Лефевр, Ф. Наполитано // Гироскопия и навигация. 2013. № 3. С. 3-13.

66. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. В 3 т. М.: Высшая школа, 1986.

67. Пельпор Д.С., Михалёв И.А., Бауман В.А. Гироскопические приборы и системы. М.: Высшая школа, 1988. 424 с.

68. Пешехонов В.Г. Современная автономная навигация. Проблемы и перспективы // Механика и навигация. СПб., 1999. 13 с.

69. Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов. М.: Наука, 1974.

70. Рахтеенко Е.Р. Гироскопические системы ориентации. М.: Машино-строение,1989. 232 с.

71. Ривкин Б.С. Аналитический обзор состояния исследований и разработок в области навигации за рубежом. Выпуски 1-7. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2017-2022.

72. Ригли У., Холлистер У., Денхард У. Теория, проектирование и испытания гироскопов. М.: Мир, 1972. 372 с.

73. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2017614200 Российская Федерация. Программа для проверки параметров измерителя угловых скоростей / В. А. Туркин, С. Ф. Нахов, А. А. Акмаев; заявитель и правообладатель ФГУП «НПЦАП». - № 2016663547; заявл. 12.12.2016; опубл. 07.04.2017. - 1 с.

74. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2017662856 Российская Федерация. Программа для проверки параметров блока измерителей угловых скоростей / В. А. Туркин, С. Ф. Нахов, А. А. Акмаев; заявитель и правообладатель ФГУП «НПЦАП». -№ 2017619489; заявл. 12.09.2017; опубл. 17.11.2017. - 1 с.

75. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2018661928 Российская Федерация. Программа тестирования электронных блоков контрольно-испытательной аппаратуры / В. А. Туркин, А. А. Акмаев, С. Ф. Нахов; заявитель и правообладатель ФГУП «НПЦАП». -№ 2018618887; заявл. 20.08.2018; опубл. 21.09.2018. Бюл. № 10. - 1 с.

76. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2018663845 Российская Федерация. Программа для проверки параметров блока измерителей линейных ускорений / В. А. Туркин, А. А. Акмаев, С. Ф. Нахов; заявитель и правообладатель ФГУП «НПЦАП». -№ 2018661045; заявл. 12.10.2018; опубл. 06.11.2018. - 1 с.

77. Синельников А.Е. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы и средства проверки и градуировки. М.: Издательство стандартов, 1979. 175 с.

78. Скарборо Дж.Б. Гироскоп. Теория и применение. Пер. с англ. М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. 247 с.

79. Сломянский Г.А., Прядилов Ю.Н. Поплавковые гироскопы и их применение. М.: Оборонгиз, 1958. 244 с.

80. Солодовников В.В. и др. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985. 536 с.

81. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. М.: Мир, 1985. 272 с.

82. Теория автоматического управления / Под ред. А.А. Воронова. М.: Высшая школа, 1986. Т.1. 368 с., Т.2. 504 с.

83. Теория автоматического управления / Под ред. В.Б. Яковлева. М.: Высшая школа, 2003.

84. Туркин В.А. Применение математического моделирования при разработке методики проектирования блоков чувствительных элементов для БИНС неортогональной ориентацией измерительных осей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2023. С. 326-334

85. Туркин В.А. Результаты разработки методики контроля блоков чувствительных элементов для БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2023. С. 257-264.

86. Туркин В.А., Калихман Д.М., Депутатова Е.А., Елизарова И.А. Методика комплексной оценки параметров современных избыточных измерителей линейного ускорения // Сборник трудов VIII Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (УОПИ-2021). Саратов: Изд-во СГТУ, 2021.

87. Туркин В.А., Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Гребенников В.И., Скоробогатов В.В., Акмаев А.А., Николаенко А.Ю., Гнусарев Д.С. Комплексный подход разработки цифровых регуляторов для инерциальных чувствительных элементов современных БИНС и программно-математического обеспечения для их контроля // Сборник материалов XXV Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2018. С. 328-330.

88. Туркин В.А., Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Депутатова Е.А., Барулина М.А., Голиков А.В. Основы обеспечения температурной стабильности работы блока измерителей линейного ускорения в условиях космического полёта // Сборник материалов XXIX Санкт-Петербургской международной

конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2022. С. 255-258.

89. Туркин В.А., Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Нахов С.Ф., Ермаков Р.В., Садомцев Ю.В., Львов А.А., Янковский А.А., Кривцов Е.П. Основы разработки комплексного цифрового управления прецизионными стендами с инерциальными чувствительными элементами по сигналам с измерителей угловой скорости, кажущегося ускорения и оптического датчика угла // Сборник материалов XXIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2016. С. 302-307.

90. Туркин В.А., Калихман Д.М., Калихман Л.Я., Садомцев Ю.В., Депута-това Е.А., Нахов С.Ф., Никифоров В.М., Чайковский М.М. Принципы разработки цифровых помехоустойчивых регуляторов каналов измерения угловой ско -рости и кажущегося ускорения в современных БИНС и программно-математического обеспечения для их контроля // Сборник материалов XX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2013. С. 285-291.

91. Туркин В.А., Калихман Д.М., Платоненко Ю.А., Никифоров В.М., Садомцев Ю.В., Рязанцев А.С., Афанасьев М.Ю. Основы разработки цифровых регуляторов и программно-математического обеспечения для современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем в условиях действия помех // Сборник трудов IV Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации (У0ПИ-2015), посвящённой 85-летию СГТУ им. Гагарина Ю.А., т. 1. Саратов: Изд-во СГТУ, 2015. С. 15-24.

92. Туркин В.А., Калихман Д.М., Калихман Л.Я. Универсальная методика контроля параметров блоков чувствительных элементов БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей // Сборник материалов XXX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2023. С. 244-248.

93. Туркин В.А., Калихман Д.М., Депутатова Е.А., Акмаев А.А. Математическая модель измерительного канала шестиосного измерителя линейного ускорения с неортогональной ориентацией осей чувствительности - прибора БИЛУ // Труды МИЭА. Навигация и управление летательными аппаратами. Вып. 43. 2023. С. 2-37.

94. Туркин В.А., Калихман Д.М., Депутатова Е.А., Акмаев А.А. Математическая модель измерительного канала шестиосного измерителя угловой скорости с неортогональной ориентацией осей чувствительности - прибора ИУС-М // Труды НПЦАП. Системы и приборы управления, №4, 2023. С. 521.

95. Туркин В.А., Калихман Д.М. Методика контроля блоков чувствительных элементов с неортогональной ориентацией измерительных осей / Гироскопия и навигация. Том 31. №4 (123), 2023. С. 44-63.

96. Туркин В.А., Калихман Д.М., Депутатова Е.А., Елизарова И.А. Методика комплексной оценки параметров современных избыточных измерителей линейного ускорения // Сборник трудов VIII Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (УОПИ-2021). Саратов: Изд-во СГТУ, 2023. С. 75-86

97. Федоров С.М., Литвинов А.П. Автоматические системы с цифровыми управляющими машинами. М., Ленинград: «Энергия», 1965.

98. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. 615 с.

99. Цуцаева Т.В. Разработка конфигурации бесплатформенного инерци-ального блока с избыточным количеством чувствительных элементов. 2001: [сайт]. URL: http://www.msfu.ru/journal/comm/referat.php?ru+2 (дата обращения: 07.08.2023).

Приложения

Приложение 1. Методика расчета параметров схемы температурной

компенсации

п1.1. Расчет параметров схемы температурной компенсации

Расчет на сопротивления термошунта и добавочных сопротивлений (рис. 2.13 - резистор Яш , ЯШоб,

Ядоб ):

1. в исходных данных табл. п2.1 задаются Я"д°мм , К"д°мм , г\]ом , адм, адм, адм

т п/Ш ™ Ц^н ом „шах тгтах

аш ' адоб , аКдм , К ДУС , ®вх , иу

2. Задаем АЯШоб и АЯ^, где ЯЩ"" определяется из выражения:

туном . / т~)дм \ном

Я ном _ Г^дм ( доб)__(Я дм )ном /1 1)

" 018 Кном \ доб) , (п11)

0,10 Кдм кном _ 1

р ' Н ' Кдус

Л 1 О ГГном

,0,10 Кд ._1 ^

где (---м-) - крутизна выходной характеристики ДУС при температур Н

мА

ре А^ом, ——; К ДУС - крутизна выходной характеристики ДУС, при установ-

° / с

ке термошунта и добавочных сопротивлений,

°/с

3. Выбирается сопротивление термошунта Я™м и добавочные (Ядм )ном и ( ЯЩоб )ном, для интервала температур, от -5°С до +50°С, желаемую погрешность рассчитывается по следующей формуле:

К^УС__ К

К

ном

АКДУС,% _-ДуС-Ш- '100% . (п1.2)

ДУС у £Тном 4 7

^ДУС

АКдУС, % и параметры схемы температурной компенсации (рис. 2.13) проводится с исходными данными из табл. п2.1.

п1.2. Расчет исходных данных для определения сопротивления термошунта и добавочных сопротивлений

Исходные данные для расчета АКдУС,% определяются из протокола регулирования из ДУС, а именно:

- сопротивление термошунта Яш (из никелевой проволоки) при температуре +25°С и -2°С составляет 357,41 Ом и 336,428 Ом, соответственно. Сле-

_3 _1

довательно, температурный коэффициент аш составляет 2,31-10 °С_1;

- сопротивление добавочного резистора Яддм (из манганиновой проволоки), установленного последовательно с обмоткой обратной связи, при температуре +25°С и -2°С, составляет 67,47 Ом и 67,4279 Ом, соответственно. Следовательно, температурный коэффициент а^б =2, 313-10-5 °С ;

- добавочный резистор ЯШоб, устанавливаемый последовательно с термошунтом Яш, отсутствует;

- сопротивление обмотки обратной связи Ядм (из медной проволоки) при температуре +50°С и -2°С, составляет 178,12 Ом и 154,65 Ом, соответственно. Следовательно, температурный коэффициент адм составляет 2,7593-10-3 °С-1;

тг / Р Н \

- крутизна выходной характеристики КДУС = (---), до намотки тер-

0,18 Кдм

мошунта, при температуре -2°С и +50°С составляет 1,410046 мА и

/ с

1,413891 мА, соответственно. Следовательно, крутизна характеристики дат° / с

чика момента Кдм составляет 804,5574 гсм/А и 802,3695 гсм/А, соответственно (Н=65 гсмс). При этом температурный коэффициент акдм=4,9443-10-5°С-1, тогда при температуре +25±10°С крутизна К"д°мм = = 803,48 гсм/А;

тг / Р Н ,

- крутизна выходной характеристики КДУСС = (---), после намот-

0,18 КдмКш

ки термошунта Яш и добавочного резистора Я^0^б, при температуре -2°С, +25°С, +50°С составляет 1,950122 —, 1,951190 — и 1,952141 мА

° / с' ' ° / с ° / с'

соответственно. Следовательно, номинальное значение К д =1,951151 мА

ном.дм о /

°/с

При этом погрешность крутизны выходной характеристики АКдуС, % не более 0,051%;

- сопротивление (КШм на Рис.2.13) электрических цепей между контактами 6-7 прибора (сопротивление обмотки обратной связи Ядм с добавочным резистором Яддмб и термошунтом Яш) при температуре +25°С составляет 141,74 Ом.

Приложение 2. Числовые данные для расчетов

Числовые данные для расчета АФЧХ ИК ИУС-М по передаточным функциям

Параметры при расчете АКдУС

Обозначение Значение

1 2

Г) ном /-\ Ядм , Ом 0,16617-103

ном К дм , гсм/А 0,80348-103

Л/° °С ном, ^ 0,25-102

адм, 1/°С 0,415110-2

а дм 1/°с ^доб ' 11 ^ 0,23126-10-4

а ш 1/°С доб ' 17 ^ 0,23126-10-4

аш, 1/°С 0,5358-10-2

аКдм, 1/°С 0,49443-10-4

КДУС, мА/°/с 0Д95-101

®г, % 0,12-102

и;ах, ^ 0,12-102

Параметры гироблока

Н, гсмс 0,65-102

ир, гсмс 0,9-102; 0,35-102; 0,1-102

Ур, гсмс2 0,286

Кду, В/рад 0,5058-Ю1

Кдм, гсм/А 0,80456-103; 0,80345-103; 0,80243-103

Км, Ом 0,13 694-103; 0,15213-103; 0,16482-103

Л/, °с -5, +25, +50

Кш 0,72294; 0,72407; 0,72487

Параметры УОС (ПУ)

Яэ, Ом 0,151 -104

Я6, Ом 0,302-105

С2, Ф 0,680-10-8

1 2

Сз, Ф 0,62-10-9

/16, 0,161105

Кпу 0,3653-102

Параметры УОС (ФЧВ)

Кд 0,1-Ю1

Я16, Ом 0,242-103

С15, Ф 0,22-10-7

tси, с 0,1 -10-5

Параметры УОС (КУ)

Я18, Ом 0,122-105

Я19, Ом 0,683 -104

Я22, Ом 0,364-105

Яш, Ом 0,1-Ю11

С18, Ф 0,1 -10-5

Сш, Ф 0,822-10-8

Параметры УОС (УМ)

Я24, Ом 0,273-105

Я28, Ом 0,462-105

Я33, Ом 0,5033-102

Яогр, Ом 0,299-103

С21, Ф 0,471-10-6

С24, Ф 0,221-10-7

Параметры УОС (Ф)

Я27, Ом 0,59-104

Я30, Ом 0,15-106

Я35, Ом 0,301-105

С23, Ф 0,1 -10-5

С27, Ф 0,1 -10-7

Параметры генератора

1 2

^29, Ом 0,5-104

Я32, Ом 0,11104

Я37, Ом 0,39-105

С25, Ф 0,16-10-8

С26, Ф 0,16-10-8

Табл. п2.2 Числовые данные для моделирования работы ИК ИУС-М в режиме измерения скорости

Обозначение Значение

1 2

Шаг дискретизации

И, с 10

Параметры движения основания

Оо, °/с 0,6-Ю1

ао, °/с2 0

Ов, °/с2 0

fв, Гц 0

фв, рад 0

®°вх, °/с 0,12-102

ю°р, °/с 0

ш01р, °/с 0

Параметры гироблока

ир, гсмс 0,35-102

Ур, гсмс2 0,286

дар, гсмс2 0

Мр1, гсм 0

Ср, гсм/рад 0

Суп, гсм/рад 0,1-105

руn, 0Д5-101

фо, ° 0

1 2

Фн, ° 0

иЦм, ^ 0,2-102

КЦм, В/рад 0,86-Ю1

Кдм, гсм/А 0,80346-103

Кш 0,72406

КДМ, мА/°/с 0Д94-101

Параметры УОС (генератор напряжения питания ДУ)

и1б, в 2,5

/l6, Гц 0,163-105

Я29, Ом 0,521-104

Я32, Ом 0,121 -104

Я37, Ом 0,38-105

С25, Ф 0,161-10-8

С26, Ф 0,161-10-8

Параметры УОС (ПУ)

Яз, Ом 0,15-104

Я6, Ом 0,301-105

С2, Ф 0,681-10-8

С 5, Ф 0,62-10-9

и0, В 0,14-102

Параметры УОС (ФЧВ)

Я10, Ом 0,402-105

Яц, Ом 0,402-105

Я16, Ом 0,243-103

Я17, Ом 0,243-103

ЯрК, Ом 0.1-1011

С8, Ф 0,1-10-6

С9, Ф 0,1-10-6

С15, Ф 0,22-10-7

1 2

С17, Ф 0,22-10-7

С 0,4225-10-4

Ь, с 0,11 -10-4

tси, с 0,1 • 10-5

Параметры УОС (КУ)

Я18, Ом 0,121 -105

Я19, Ом 0,681-104

Параметры УОС (генератор напряжения питания ДУ)

^16, в 2,50

/l6, Гц 0,161-105

Я29, Ом 0,520-104

Я32, Ом 0,120-104

Я37, Ом 0,380-105

С25, Ф 0,164-10-8

С26, Ф 0,164-10-8

Параметры УОС (ПУ)

Яъ, Ом 0,140-104

Яв, Ом 0,301-105

С2, Ф 0,681-10-8

С5, Ф 0,62-10-9

и0, 5 0,14-102

Параметры УОС (ФЧВ)

Я1о, Ом 0,400-105

Яц, Ом 0,400-105

Параметры УОС (генератор напряжения питания ДУ)

и1в, в 2,5

Ук Гц 0,164-105

Я29, Ом 0,520-104

Я32, Ом 0,120-104

Я37, Ом 0,380-105

1 2

С25, Ф 0,16410-8

С26, Ф 0,16410-8

Параметры УОС (ПУ)

Яъ, Ом 0,15-104

Яб, Ом 0,301-105

С2, Ф 0,681-10-8

С5, Ф 0,62-10-9

и0, 5 0,14-102

Параметры УОС (ФЧВ)

Я1о, Ом 0,402-105

Яц, Ом 0,402-105

Я16, Ом 0,243-103

Я17, Ом 0,243-103

ЯрК, Ом 0,1-Ю11

С8, Ф 0,1 -10-6

С9, Ф 0,1 -10-6

С15, Ф 0,22-10-7

С17, Ф 0,22-10-7

к, с 0,4225-10-4

Ь, с 0,11 -10-4

tси, с 0,1 -10-5

Параметры УОС (КУ)

Я18, Ом 0,121 -105

Я19, Ом 0,681-104

Я22, Ом 0,365-105

Яш, Ом 0,1-Ю11

С18, Ф 0,1 -10-5

Сш, Ф 0,82-10-8

иК1,5 0,14-102

1 2

и 02, В 0,14102

Параметры УОС (УМ)

Я24, Ом 0,274-105

Я25, Ом 0,274-105

Я*28, Ом 0,464-105

Я33, Ом 0,5032-102

Яогр, Ом 0,298-103

ЯШ, Ом 0,15214-103

С21, Ф 0,47-10-6

С22, Ф 0,47-10-6

С24, Ф 0,22-10-7

и 0, В 0,14-102

Параметры УОС (Ф)

Я27, Ом 0,59-104

Я30, Ом 0,15-106

Я35, Ом 0,301-105

С23, Ф 0,1 -10-5

С27, Ф 0,1-10-7

и° , В выя ? 0,14-102

ПНЧ

Язар, Ом 0,36-105

Яразр, Ом 104

С, Ф 0,332-10-7

Уэт, В 2,5

уУ1, в 0

Уу2, В 0

Уу3, В 0

Уу4, В 0

Ут, В 0,24

1 2

Уг22, В 0

Гпз, В 0

/у2, ГЦ 0

/уз, Гц 0

/у4, ГЦ 0

/п2, ГЦ 0

/п3, Гц 0

Л Гц 0,384-106

Фу2, рад 0

фуз, рад 0

фу4, рад 0

Фп2, рад 0

фпз, рад 0

Т01, с 0,25-10-6

Ысч 8

с 0

1ш, с 0

tизм, с 0

Tинт, с 0,25-10-3

пкрат 10

Табл. п2.3

Значения параметров ИК ИУС-М в зависимости от температуры

Темпер., °С -5°С 0°С +15°С +25°С +35°С +50°С

1 2 3 4 5 6 7

Яш, Ом 298,4 307,86 336,33 355,45 374,43 403,14

Ядм, Ом 145,49 148,92 159,22 166,19 173,01 183,46

КМ, ом 43,94 43,96 43,98 43,91 43,93 43,945

Кб, Ом 195,83 195,85 195,91 195,92 196,01 196,04

, Ом 136,91 139,43 147,08 152,13 157,25 164,87

1 2 3 4 5 6 7