Методы и алгоритмы повышения точностных характеристик лазерного гироскопа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Суханов, Сергей Валерьевич

• Суханов, Сергей Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Суханов, Сергей Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЛГ

1.1 Принцип работы и устройство ЛГ

1.1.1 Пассивный интерферометр Саньяка

1.1.2 Активный кольцевой лазерный интерферометр

1.2 Синтез математической модели ЛГ

1.2.1 Источники погрешностей лазерного гироскопа

1.2.2 Синхронизация частот и методы уменьшения влияния эффекта захвата»

1.2.3 Синтез математической модели выходного сигнала ЛГ с вибрационной частотной подставкой

1.2.4 Сдвиг нулевого сигнала ЛГ и методы его компенсации

1.3 Конструктивные особенности лазерного гироскопа модели ЛГ

1.4 Параметры состояния ЛГ

Выводы

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ УМЕНЬШЕНИЯ

ПОГРЕШНОСТЕЙ, ВЫЗВАННЫХ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ ЧАСТОТ

2.1 Метод виброподставки для преодоления эффекта «захвата»

2.2 Разработка методов и алгоритмов модуляции амплитуды колебаний виброподставки

2.2.1 Анализ и синтез алгоритма распределения случайной величины модуляции амплитуды колебаний виброподставки

2.2.1.1 Анализ алгоритма случайной модуляции амплитуды колебаний виброподставки ЛГ

2.2.1.2 Разработка алгоритма случайной модуляции амплитуды колебаний виброподставки

2.2.2 Анализ и синтез методов модуляции амплитуды колебаний виброподставки ЛГ

2.2.2.1 Аддитивная случайная модуляция

2.2.2.2 Мультипликативная случайная модуляция

2.2.2.3 Сравнение эффективности различных способов модуляции колебаний амплитуды виброподставки

2.3 Разработка алгоритма стабилизации амплитуды для уменьшения влияния эффекта «захвата»

Выводы

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ КОМПЕНСАЦИИ

ДЕТЕРМИНИРОВАННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ДРЕЙФА

ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ЛГ

3.1 Обзор методов алгоритмической компенсации дрейфа

3.2 Анализ влияния параметров состояния ЛГ на его точностные характеристики

3.2.1 Асимметрия распределения температуры вдоль активной среды как основная причина температурного дрейфа

3.2.2 Анализ зависимости выходного сигнала ЛГ от амплитуды колебаний виброподставки

3.2.3 Влияние изменения оптических потерь в резонаторе и мощности излучения на выходной сигнал ЛГ

3.2.4 Зависимость выходного сигнала ЛГ от напряжения на пьезокорректорах

3.3 Синтез алгоритма компенсации дрейфа с учетом параметров состояния

Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛОЖЕННЫХ

МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ

4.1 Экспериментальная оценка алгоритмов случайной модуляции колебаний амплитуды виброподставки

4.2 Экспериментальные исследования алгоритма стабилизации амплитуды колебаний виброподставки

4.3 Экспериментальная оценка выходного сигнала с предложенными алгоритмами уменьшения погрешности случайного дрейфа

4.4 Экспериментальная оценка алгоритма компенсации дрейфа выходного сигнала ЛГ на основе параметров состояния

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы повышения точностных характеристик лазерного гироскопа»

Бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) приобретают в последнее время все более широкое распространение в авиакосмической технике, в морских и наземных навигационных комплексах [1, 2].

Создание БИНС с требуемыми характеристиками стало возможным после преодоления ряда сложных технических и технологических проблем. Прежде всего, необходимо было создать инерциальные чувствительные элементы (акселерометры и гироскопы), работающие в широком диапазоне входных воздействий, и обеспечивающие высокие точностные характеристики. К примеру, для гироскопов динамический диапазон измеряемых углов необходимо было расширить от величины 1 угл.сек. до 360°, диапазон измеряемой угловой скорости - от 0.001 °/ч до 500 %ек. [1].

Современное состояние развития технологий приборостроения определяет следующие наиболее распространенные типы гироскопических датчиков (по физическому принципу действия) [3-7]: поплавковые (ПГ); динамически настраиваемые (ДНГ); волновые твердотельные (ВТГ); лазерные (ЛГ); микромеханические (ММГ); волоконно-оптические (ВОР).

ПГ и ДНГ имеют ряд недостатков с точки зрения их применения в БИНС: малый динамический диапазон измерений, недостаточная стабильность коэффициента преобразования, большое время готовности, высокая чувствительность выходного сигнала к изменению температуры [8-11].

ВТГ имеют привлекательную совокупность точностных и эксплуатационных характеристик [12-14]. Современный уровень развития технологии ВТГ (требующей изготовления прецизионных высокодобротных резонаторов из кварцевого стекла) не позволяет обеспечить необходимые для авиационных БИНС диапазон измерений и точностные характеристики. При этом, как отмечено в [15, 16], исходя из своих потенциальных возможностей, ВТГ в перспективе может перекрыть все используемые типы гироскопических датчиков в среднем и низком классе точности.

ММГ — электромеханический прибор вибрационного типа, в котором инерционная масса и ее подвес выполнены на базе современных планарных электронных технологий. Основным недостатками ММГ являются их низкая точность 100 - 1000 град/час и недостаточная стабильность масштабного коэффициента.

ВОГ не содержит сложных механических деталей и не имеет движущихся частей, поэтому потенциально обладает высокими показателями надежности [8, 17]. Недостатками ВОГ является высокая (и некомпенсируемая) зависимость выходного сигнала от изменения температуры, а также недостаточная стабильность и линейность коэффициента преобразования.

ЛГ в настоящее время достигли пика в развитии технологии и заняли свою нишу на рынке гироскопических датчиков для инерциальных навигационных систем и систем управления в авиационно-космической, ракетной и корабельной технике [2, 4-5, 10, 18-20]. Достоинствами ЛГ являются: высокая стабильность (повторяемость) дрейфа - до 0.001 град/ч и лучше; высокая точность измерения, широкий динамический диапазон измерений - более 30 разрядов; высокая стабильность коэффициента преобразования -до 0.001%; цифровая форма выходного сигнала.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) с замкнутым кольцевым резонатором появились в начале 60-х годов как модификация интерферометра Саньяка. С самого начала они были предназначены для измерения угловой скорости движения подвижных объектов относительно инерциального пространства. Концепции, основанные на использовании технологии лазерной гироскопии, находятся в стадии разработки с 1963 года. В исследованиях принимают участие фирмы Honeywell, Litton, Sperry, Rockwell, Rayteon, United technology, Ferranti, Avion Electronics, Kearfott и др. [8,21,22].

По сравнению с другими типами датчиков ЛГ обладает рядом, кроме указанных выше, неоспоримых функциональных и эксплуатационных преимуществ по сравнению с другими типами датчиков [1, 20-24, 26]:

1) В отличие от электромеханических датчиков, ЛГ измеряет угловую скорость (или угол поворота) с одинаковой точностью независимо от действия внешних линейных ускорений и вибраций.

2) Динамический диапазон измеряемых угловых скоростей достигает 1010 относительных единиц (30 двоичных порядков), что позволяет использовать ЛГ на высокодинамичных объектах.

3) Цифровая форма выходного сигнала ЛГ облегчает его последующую обработку в навигационном вычислителе без дополнительных аналого-цифровых преобразователей.

4) Высокая устойчивость ЛГ к механическим воздействиям, высокая надежность и технический ресурс (более 10000 часов), минимальное время готовности к работе (менее 1 сек) обеспечивают- уникальные эксплуатационные характеристики систем на их основе.

5) Технология изготовления ЛГ, использующая групповые процессы оптического и оптико-электронного производства, обеспечивает возможность крупносерийного производства и умеренную стоимость ЛГ.

Оптико-физические схемы- построения ЛГ целесообразно классифицировать по методу преодоления основной его погрешности - нечувствительности к входным воздействиям в области малых угловых скоростей, вызываемой «захватом» (синхронизацией) частот встречных волн вследствие их связи через рассеяние на зеркалах оптического резонатора. Существует два подобных метода (и множество модификаций) [20-22, 26, 27]:

1) метод вибрационной подставки (виброподставки), который заключается в осуществлении угловых колебаний оптического резонатора;

2) метод искусственного сдвига разностной частоты встречных волн, который состоит в использовании невзаимных оптических эффектов (эффекты Френеля-Физо, Фарадея, Зеемана).

Схема построения ЛГ с использованием виброподставки является в настоящее время наиболее применяемой, эту схему условно можно назвать классической. Метод виброподставки предполагает принудительное колебание кольцевого оптического генератора вокруг его оси чувствительности с частотой 200-400 Гц и амплитудой в несколько угловых минут [10]. Основные проблемы данной схемы построения ЛГ — создание эффективной механической колебательной системы, повышение технологичности ее конструктивной реализации, необходимость учета дополнительного движения в выходном сигнале гироскопа.

Эффект Фарадея состоит в том, что некоторые вещества при действии магнитного поля обладают различными коэффициентами преломления для лучей света, поляризованных по кругу в противоположных направлениях. Скорость распространения световых лучей в веществах, находящихся в магнитном поле, зависит от направления силовых линий поля. Данный эффект позволяет обеспечить требуемый сдвиг частот встречно направленных лучей за счет помещения в оптический резонатор ячейки Фарадея [10, 27]. Широкому использованию этого метода препятствует температурная зависимость постоянной Верде оптического материала ячейки и необходимость, стабилизации магнитного поля с высокой точностью [20].

При использовании эффекта Зеемана в оптическом резонаторе индуцируются циркулярно поляризованные волны, а линеаризация выходной характеристики осуществляется путем наложения магнитного поля на активную среду [28]. Основным недостатком такой схемы является «паразитное» влияние приложенного к активной среде магнитного поля на изменение характера взаимодействия в ней встречных волн, что приводит к целому ряду дополнительных погрешностей [29].

Попытки решения проблемы синхронизации частот встречных волн оптическими методами предпринимались в течение всего периода развития технологии лазерной гироскопии. В- настоящее время они привели к созданию так называемых четырехчастотных ЛГ [10]. Принципиальным отличием четырехчастотного ЛГ является использование круговой поляризации встречных волн, причем в каждом направлении распространения генерируются две волны с правой и левой круговыми поляризациями. Фактически в этом случае в одном оптическом резонаторе одновременно реализуются два кольцевых лазера. Разделение волн с левой и правой круговой'поляризацией осуществляется посредством помещения.в резонатор элемента, обладающего оптической активностью. Для исключения зоны ««захвата»» для каждой пары волн в оптическом резонаторе четырехчастотного ЛГ размещается элемент Фарадея, который создает попарно требуемое расщепление частот [10, 29, 30]. Однако использование невзаимного фазового элемента, как отмечалось выше, сопряжено с определенными трудностями — накладываются жесткие требования на стабильность магнитного поля и температуры.

Анализ различных схем построения ЛГ показывает, что приборы с вибрационной частотной подставкой потенциально превосходят по точностным характеристикам приборы с другими схемами построения. По схеме с вибрационной частотной подставкой построены широко применяемые в» инерциальной навигации гироскопы вв 1320, Ь0-8028, ЛГ-1, КМ:11-1, ставшие классикой технологий лазерной гироскопии [26].

Потенциальные возможности ЛГ с виброподставкой в настоящее время до конца не исчерпаны. Актуальной является задача разработки новых научно-технических решений, направленных на улучшение точностных характеристик существующих приборов без изменения их схемно-конструктивных особенностей и с минимальными экономическими затратами.

Анализ функции преобразования ЛГ (основного уравнения лазерного гироскопа, связывающего его выходной сигнал с измеряемой угловой скоростью) показывает, что кроме эффекта «захвата» (синхронизации) встречных волн присутствует множество других факторов, влияющих на точность лазерного гироскопа и характеристики его выходного сигнала. В числе основных факторов выделяют [10, 20, 21, 23]: нестабильность технологических параметров ЛГ (ток накачки, мощность излучения, амплитуда и частота колебаний виброподставки ЛГ); изменение положения пьезокорректоров, регулирующих длину периметра оптического резонатора; изменение параметров внешних воздействий (температуры чувствительного элемента, магнитного поля).

Все указанные выше факторы приводят к возникновению погрешностей прибора - случайному и систематическому дрейфу. Под понятием «дрейф» далее в работе подразумевается появление выходного сигнала, эквивалентного углу поворота ЛГ относительно инерциального пространства. Систематический дрейф приводит к линейно нарастающему во времени углу поворота, а случайный дрейф («random walk», англ. - случайный уход) - к возникновению случайной угловой ошибки с линейно возрастающей во времени дисперсией. Понятия «дрейф» и «уход» далее в работе эквивалентны.

Существуют два принципиально различных способа повышения точностных характеристик любого прибора и лазерного гироскопа в частности:

Первый способ — устранение причин возникновения погрешностей или минимизация их влияния на точностные характеристики, приводящие в итоге к приближению реальной выходной характеристики прибора к идеальной.

Второй способ - алгоритмическая, компенсация погрешностей прибора при известном характере влияния различных факторов на его точностные характеристики.

Первый, способ обеспечивается обычно программно-аппаратно-конструктивными решениями, к которым относятся, например, уменьшение коэффициента рассеяния на зеркалах оптического резонатора за счет повышения качества их изготовления (конструктивное решение), стабилизация ряда технологических параметров - амплитуды и частоты виброподставки, тока накачки и мощности излучения (программно-аппаратное решение), стабилизация температуры за счет применения системы термостатирования (аппаратное решение).

Второй способ на основе известных зависимостей (обычно - математической модели погрешностей прибора) позволяет провести алгоритмическую компенсацию остаточных погрешностей, не минимизированных при реализации первого способа.

Приведенные способы имеют определенные (физические, экономические или вычислительные) ограничения на реализацию. Например, применение системы термостабилизации для минимизации влияния температурных погрешностей влечет за собой существенные конструктивные изменения прибора и применение дополнительных электронных модулей и блоков. Стабилизация мощности излучения невозможна без изменения конструкции прибора.

В тоже время, отсутствие стабилизации ряда параметров вследствие различных нелинейных эффектов, перекрестных связей и зависимостей может привести к невозможности построения математической модели ошибок прибора, адекватно описывающей их реальное изменение. С другой стороны, вычислительные затраты на реализацию синтезированной модели погрешностей могут превысить реальные возможности применяемого вычислительного модуля.

Проведенный в работе анализ моделей ЛГ позволил выделить наиболее эффективные решения, направленные на повышение точностных характеристик существующего серийно производимого прибора за счет применения комплекса методов, включающего:

1. Введение более эффективного алгоритма случайной модуляции колебаний амплитуды («ошумления») виброподставки ЛГ, использующего в качестве модулирующей функции случайную величину, распределенную по нормальному закону.

2. Стабилизацию амплитуды виброподставки, обеспечивающую в комплексе с предложенным алгоритмом «ошумления» существенное уменьшение величины случайного ухода, обусловленного влиянием зоны «захвата».

3. Комплексирование перечисленных программно-аппаратных способов, что позволило, за счет снижения величины случайной составляющей, более явно выделить детерминированную составляющую ошибки (систематический уход, дрейф), поддающуюся аналитическому описанию в виде адекватной математической модели, а, следовательно - и алгоритмической компенсации.

При этом, основным достоинством предложенного решения за счет применения комплекса методов является его сравнительно простая программно-аппаратная реализация, не требующая конструктивных изменений, и незначительное повышение вычислительных затрат за счет дополнительной алгоритмической обработки выходного сигнала.

Таким образом, в настоящей диссертационной работе предлагается новое научно-техническое решение задачи повышения точностных характеристик лазерного гироскопа на основе следующих аппаратно-алгоритмических методов:

1) минимизация случайных погрешностей ЛГ, обусловленных влиянием зоны «захвата», за счет разработки и внедрения алгоритмов квази-случайной модуляции и стабилизации амплитуды колебаний виброподставки;

2) алгоритмическая компенсация остаточной систематической составляющей погрешности на основе обобщенной математической модели, включающей параметры состояния ЛГ.

Целью работы является повышение точностных характеристик лазерного гироскопа за счет предложенных методов программно-аппаратной минимизации и алгоритмической компенсации случайных и систематических погрешностей выходного сигнала.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи: анализ математической модели прибора;

- исследование причин возникновения случайного и систематического дрейфа ЛГ; исследование, обоснование и разработка программно-аппаратных методов и алгоритмов, позволяющих минимизировать ошибку синхронизации частот, обусловленную зоной «захвата» и приводящую к возникновению случайного дрейфа; исследование параметров состояния ЛГ, анализ влияния изменения этих параметров на точностные характеристики ЛГ, разработка обобщенной математической модели систематического дрейфа ЛГ; реализация предложенных программно-аппаратных методов минимизации погрешностей и алгоритмов компенсации дрейфа; проведение экспериментальных исследований и проверка адекватности предложенных методов алгоритмической компенсации погрешностей.

Методы исследования. Полученные результаты базируются на комплексном применении основных положений теории Максвелла электромагнитного поля для кольцевого лазера, теории Лэмба электромагнитных колебаний, методах математического анализа и линейной аппроксимации, стохастической теории информации, а также натурном и математическом моделировании.

Научная новизна и практическая ценность Научная новизна и практическая ценность диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложены методы и научно-технические решения уменьшения погрешностей, использующие комплексный подход их программно-аппаратной минимизации и алгоритмической компенсации.

2. На основе общей теории кольцевого оптического квантового генератора разработана обобщенная математическая модель ЛГ.

3. Предложены методы и алгоритмы программно-аппаратной минимизации погрешностей случайного дрейфа за счет применения эффективного алгоритма случайной модуляции амплитуды колебаний виброподставки с использованием нормально распределенной случайной величины и стабилизации амплитуды колебаний.

4. Разработан алгоритм компенсации погрешностей на основе математической модели систематического дрейфа выходного сигнала ЛГ, синтезированной после осуществления программно-аппаратной минимизации случайного дрейфа.

5. Теоретические решения доведены до практического использования при повышении точностных характеристик серийно выпускаемых приборов.

6. Результаты диссертационной работы (алгоритмы и программно-математическое обеспечение) внедрены в состав специального программного обеспечения микроконтроллера разрабатываемых предприятием ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» лазерных гироскопов.

7. Предложенные в работе алгоритмы компенсации погрешностей обладают надежностью и универсальностью, могут быть использованы для широкого класса лазерных гироскопов без дополнительной принципиальной доработки.

8. Основным практическим достоинством предложенного в, работе комплексного подхода является качественное (для серийно выпускаемых приборов - в 2-3 раза) улучшение точностных характеристик лазерного гироскопа, без изменения схемно-конструктивных особенностей прибора и с минимальными экономическими затратами.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные лично автором: методы минимизации погрешностей случайного ухода, обусловленного наличием зоны «захвата», за счет применения алгоритмов квазислучайной модуляции и стабилизации уровня амплитуды виброподставки ЛГ; результаты анализа влияния изменения параметров состояния ЛГ на систематический дрейф и синтезированная на их основе математическая модель дрейфа выходного сигнала ЛГ; алгоритм математической компенсации дрейфа, разработанный на основе обобщенной математической модели, учитывающей изменение температуры, амплитуды колебаний виброподставки, мощности излучения в оптическом резонаторе и напряжения на пьезокорректорах («пьезокерамике») ЛГ; результаты исследований; ЛГ с реализованными методами и алгоритмами.

Внедрение работы. Основные результаты представленной работы внедрены на ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» в состав технической документации при разработке специального программного обеспечения микроконтроллера ЛГ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 10-й и Г 1-й конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, ЦНИИ- «Электроприбор»,, 2008, 2009гг; 5-й, 7-й Международных молодежных научно-технических конференциях «БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ», Н.Новгород, 2006, 2008гг; а также в ряде отраслевых научно-технических конференциях на предприятиях ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА» и ОАО «Корпорация «Тактическое Ракетное Вооружение».

Доклад на конференции «Навигация и управление движением-2008» удостоен? диплома I степени. За доклад на конференции. «БУДУЩЕЕ ТЕХЬШЧЕСКОЙ НАУКИ-2008» соискатель награ>кден дипломом лауреата.

Публикации; Результаты диссертационной? работы опубликованы в^ 12 печатных работах,, из которых 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения;, четырех глав, заключения - и списка литературы, включающего 69 наименований. Материал изложен на 136 страницах, содержит 49 рисунков и 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Суханов, Сергей Валерьевич

Выводы

На основании проведенных натурных испытаний можно сделать следующие выводы: проведенные испытания синтезированного алгоритма опгумления виброподставки гироскопа указывают на удовлетворение его предъявленным требованиям эффективности; экспериментальная оценка предложенных в главе 2 алгоритмов показывает, что использование синтезированного алгоритма ошумления на основе гауссовской случайной величины и применение алгоритма стабилизации уровня амплитуды колебаний виброподставки позволили снизить ошибку случайного дрейфа и тем самым выделить систематическую составляющую погрешности лазерного гироскопа, которая может быть скомпенсирована алгоритмическим путем; сравнение экспериментальных результатов оценки алгоритмов компенсации систематического дрейфа лазерного гироскопа показывает,-что при использовании предлагаемой модели, включающей параметры состояния прибора, остаточный систематический дрейф в 1.5-2 раза меньше, чем при использовании модели на основе температурной зависимости дрейфа; предложенная модель дрейфа на основе параметров ЛГ была адаптирована на трехосный лазерный гироскоп; результаты испытаний показывают, что дрейф может быть скомпенсирован с уровня 2-4 град/час до 0.05-0.1 град./час для данного образца ТКЛ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложена идеология повышения точностных характеристик лазерного гироскопа за счет применения комплекса программно-аппаратных методов уменьшения случайной составляющей погрешности и алгоритмической компенсации детерминированной составляющей с использованием разработанной математической модели, определяющей функциональную зависимость дрейфа выходного сигнала от изменения параметров внутреннего состояния прибора. В рамках проделанной работы:

- проведён анализ математической модели лазерного гироскопа, на основе которой исследованы причины возникновения случайной и систематической погрешностей.

- проведены исследование и обоснование программно-аппаратных методов и алгоритмов, позволяющих минимизировать ошибку, обусловленную синхронизацией частот встречных волн и приводящую к возникновению случайного дрейфа;

- с целью уменьшения ошибок, вызванных наличием зоны «захвата» разработаны эффективный алгоритм формирования случайной величины для модуляции амплитуды колебаний виброподставки ЛГ, и алгоритм стабилизации уровня амплитуды;

- проведены математическое моделирование и экспериментальные исследования, которые показали эффективность разработанных методов и алгоритмов по уменьшению ошибок, обусловленных влиянием зоны «захвата». Предложенные методы и алгоритмы позволяют более чем в 2 раза уменьшить случайный дрейф выходного сигнала лазерного гироскопа и тем самым выделить систематическую составляющую ошибки, которая может быть скомпенсирована алгоритмическими методами;

- определены источники возникновения сдвига нуля и систематического дрейфа выходного сигнала. Рассмотрены параметры состояния ЛГ на предмет их функциональной зависимости с точностными характеристиками прибора. Синтезирована обобщенная математическая модель дрейфа выходного сигнала ЛГ, включающая в себя функции от изменения температур чувствительного элемента и корпуса прибора, изменения мощности излучения в оптическом резонаторе, изменения напряжения на пьезокорректорах, регулирующих периметр оптического резонатора, а так же изменения амплитуды колебаний виброподставки ЛГ; на основе предложенной модели разработан алгоритм компенсации систематического дрейфа выходного сигнала лазерного гироскопа; проведены экспериментальные исследования и представлены результаты оценки характеристик предложенного алгоритма для серийно производимого одноосного ЛГ в нормальных климатических условиях и на температурных воздействиях. Результаты испытаний показывают, что при использовании предлагаемой модели компенсации средний систематический дрейф как минимум в 1.5-2 раза меньше чем при использовании традиционного алгоритма на основе температурной модели. произведена адаптация предложенной модели и алгоритма компенсации дрейфа под применение в составе разрабатываемого трёхосного лазерного гироскопа. Результаты испытаний на 2-х опытных образцах ТКЛ показывают, что дрейф может быть скомпенсирован с уровня 2-4 град/час до 0.050.1 град./час.

Проведённые экспериментальные исследования подтверждают эффективность предложенной идеологии уменьшения погрешностей выходного сигнала лазерного гироскопа и принятых при ее разработке научно-технических решений. Результатом диссертационной работы является повышение точностных характеристик лазерного гироскопа в 2-3 раза за счет предложенных методов и научно-технических решений уменьшения погрешностей, использующих комплексный подход программно-аппаратной минимизации случайного и алгоритмической компенсации систематического дрейфа выходного сигнала прибора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Суханов, Сергей Валерьевич, 2009 год

1. Лукомский Ю.А., Пешехонов В.Г., Скороходов Д.А. Навигация и управление движением судов. Учебник. — СПб.: «Элмор», 2002. - 360с.

2. Несенюк Л.П., Бесплатформенные инерциальные системы. Обзор состояния и перспективы развития. // Гироскопия и навигация, — 2002. №1(36).-С. 13-22.

3. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации. // Гироскопия и навигация, 1996. - №1(12). - С. 48-54.

4. Barbour Neil М., Elwell John М., Setterlund Roy H., Shmidt G. In-ertial instruments: Where to now?. // The 1st Saint-Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology S-Pb., CSRI "Elektropribor", 1994. - P. 13-24.

5. Бабур H., Шмидт Дж. Направления развития инерциальных датчиков. // Гироскопия и навигация, 2000. - №1 (28). - С. 3-15.

6. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие. -Тула, 2002. 392 с.

7. Лестев A.M., Попова И.В. Современное состояние теории и практических результатов разработки микромеханических гироскопов. // 5-я Санкт-Петербургская конференция по интегрированным навигационным системам СПб, 25-27 мая 1998. - С. 138-148.

8. Бурмистров В.П., Темляков H.A. О некоторых вопросах теории динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ). 2. Динамическая настройка ДНГ. // Гироскопия и навигация, 1996. - №1 (12). - С. 7-14.

9. Ю.Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / О.Н.Анучин, Г.И.Емельянцев / Под общей ред. академика РАН В.Г.Пешехонова. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 390с.

10. Джашитов В.Э. Панкратов В.М. Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем. — Санкт-Петербург, ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2001. 149 с.

11. Лунин Б.С. Физико-химические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов. — М: Изд-во МАИ, 2005. 224 с.

12. Джанджгава Г.И., Виноградов Г.М., Липатников В.И. Разработка и испытания волнового твердотельного гироскопа // Гироскопия и навигация, 1998. - № 4 (23). - С. 141-146.

13. Джанджгава Г.И., Бахонин К.А., Виноградов Г.М, Требухов A.B. Бесплатформенная инерциальная навигационная система на базе твердотельного волнового гироскопа. // Гироскопия и навигация, 2008. - № 1 (60). - С. 22-33.

14. Линч. Д. Взгляд компании «НОРТРОП ГРУММАН» на развитие навигационных технологий.// Гироскопия и навигация. 2008. - №3. -С.102-106.

15. Leach B.W., Rahbari R., Dillon J. Low cost strapdown IMU/DGPS in• * thtegrated navigator with fuzzy logic adaptive tuning. // Proceedings of the 9 Saint

16. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems S-Pb., 27-29 May 2002. - P. 264-273.

17. Лукьянов Д.П. Лазерные и волоконно-оптические гироскопы: состояние и тенденции развития // Гироскопия и навигация, 1998. - № 4 (23). -С. 20-45.

18. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. — К: Выща шк., Головное изд-во, 1988. — 383 с.

19. Ароновиц Ф. Лазерные гироскопы. / В «Применения лазеров» пер. с английского под ред. Тычинского В.П., -М.: Мир, 1974. — С. 182-270.

20. Основы расчета, проектирования и технологии изготовления лазерных и волоконно-оптических гироскопов / Под ред. Карасика В.Е. МВТУ им. Н.Э.Баумана. М., 1989.

21. Малеев П.И. Новые типы гироскопов. Л.: «Судостроение», 1971.160 с.

22. Си л вер М. Навигация с помощью бесплатформенной системы на основе кольцевых лазерных гироскопов: вопросы проектирования системы. ТИИЭР, 1983. -Т.71. — №10. С. 52.

23. Молчанов A.B., Поликовский Е.Ф. Исследование случайного дрейфа лазерного гироскопа с вибрационной частотной подставкой // Материалы З'г0 Международного симпозиума «Аэрокосмические приборные технологии» СПб., 2004. - С. 28-30.

24. Молчанов A.B. Исследование конструктивно-технологических характеристик лазерного гироскопа с целью повышения его качества. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2005.

25. Богданов А.Д. Гироскопы на лазерах. М.: Воениздат, 1973. 72 с.

26. Колчев А.Б., Ларионов П.В., Фомичев A.A. Исследование тепловых дрейфов лазерного гироскопа с магнитооптической частотной подставкой. Электронный научный журнал «Исследовано в России» http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/249.pdf

27. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. -М.: Наука, 1976.

28. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теория поля. М.: Наука, 1971.

29. Гироскопические системы, ч.2, под редакцией Пельпора Д.С. М.: Высшая школа, 1972. - 472 с.

30. Бадамшина Э.Б., Курятов В.Н., Лепешкин Д.В. Повышение точности измерения лазерного гироскопа при стабилизации амплитуды знакопеременной частотной модуляции // «Прикладная оптика — 2006»: Труды VII Международной конференции. СПб, 2006. - Т. 1. — С. 87.

31. Пельпор Д.С., Осокин Ю.А., Рахтеенко Е.Р. Гироскопические приборы систем ориентации и стабилизации, М.: Машиностроение, 1977. -208 с.

32. Подкорытов С.Н., Коломийцев С.Ю. Алгоритмическая компенсация дрейфа лазерного гироскопа. Материалы XV Санкт-Петербургской межд. Конф. по интегрированным навигационным системам. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2007. - С. 60-63.

33. Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Л.: Судостроение, 1989. - 264с.

34. Шрайбер У., Шнайдер М., Великосельцев А., Стедман Дж.И., Шлютер В. Очень большие кольцевые лазеры. // Гироскопия и навигация, -2002. -№ 1(36).-С. 88-95.

35. Макконнелл, Дж. Основы современных алгоритмов. 2-е дополненное издание М: Техносфера, 2004. 368с. ISBN 5-94836-005-9.

36. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. -М.: Мир, 1989.-540 с.

37. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч. 1. Введение в теорию оценивания / O.A. Степанов. Спб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - 496 с. ISBN 978-5900780-86-3.

38. Виброподвес для малогабаритного лазерного гироскопа. Патент РФ №2128823, 1999.

39. Свиридов М.В., Чирков В.А. Оптимизация случайной частотной подставки в кольцевом лазере. Радиотехника и электроника. 1986. - Т.31. -№4.

40. Зборовский В.А., Г.Новиков А.Г. Экспериментальное исследование нелинейного поляризационного взаимодействия встречных волн в кольцевом лазере. Квантовая электроника. — 1977. Т.4. — №9.

41. J. D. Coccoli, S. Helfant, RLG evaluation Complementary modeling and testing, Proceedings of the NAECON, 1979. - V. 1. - P. 14-21.

42. Голяев Ю.Д., Колбас Ю.Ю., Рассказов А.П. Аппроксимация воспроизводимых временных и температурных зависимостей смещения нуля кольцевого лазера. Электронная техника. 1991. - Сер. 11. - Вып.2 (58).

43. Method for in-field updating of the gyro thermal calibration of an internal navigation system , US Patent №5527003, 1996.

44. Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы. -М.: Советское радио, 1968. -472 с.

45. Методы расчета оптических квантовых генераторов, под ред. Б.И. Степанова, Минск: «Наука и техника», 1966.

46. Самсон A.M., Степанов Б.И. Оптика и спектроскопия, 1963. т. XIV.-Вып. 1.-С. 57.

47. Степанов Б.И. Основы спектроскопии отрицательных световых потоков. Издательство Белорусского государственного университета, 1961.

48. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. Оптико-электронные квантовые приборы: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1982.-456 с.

49. Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и опто-электроники: Учеб. Пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1983. - 304 с.

50. Суханов C.B. Использование параметров состояния лазерного гироскопа для компенсации систематического дрейфа. Известия института инженерной физики. Научно технический журнал. 2008. - №4(10). - С. 63-67.

51. Суханов C.B. Алгоритм эффективного ошумления виброподставки лазерного гироскопа. Будущее технической науки. Тезисы докладов V Юбилейной Международной молодежной научно-технической конференции. Н. Новгород: НГТУ, 2006. С. 78.

52. Суханов C.B., Чуманкин Е.А., Халеев К.И., Мишин А.Ю. Эффективный алгоритм ошумления виброподставки лазерного гироскопа. Мир Авионики. Журнал Российского Авиаприборостроительного Альянса. — 2007. — №2. — С. 26-29.

53. Суханов C.B. К вопросу о выборе математической модели дрейфа лазерного гироскопа. Будущее технической науки. Тезисы докладов VII Международной молодежной научно-технической конференции. Н. Новгород: НГТУ, 2008.-С. 139-140.

54. Суханов C.B. Математическая модель дрейфа лазерного гироскопа с учетом параметров его состояния. Труды XXVII Межрегиональной НТК, Серпуховской ВИ PB, 2008. С. 65-68.

55. Суханов C.B. Выбор математической модели систематического дрейфа лазерного гироскопа. Техника и технология. М.: «Спутник плюс», ISSN 1811-3532,2008. №5(29) - С. 20-26.

56. Суханов C.B. Использование параметров внутреннего состояния лазерного гироскопа для компенсации систематического дрейфа. Гироскопия и навигация. Научно технический журнал. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2008. - №2 (61) - С. 80.

57. Суханов C.B., Халеев К.И. Анализ зависимости точностных характеристик лазерного гироскопа от амплитуды виброподставки.

58. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГРШ В МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИИ. Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции. Нижний Новгород-Арзамас: НГТУ-АПИ НГТУ, 2008. - С. 190-197.

59. Суханов C.B. Исследование и анализ точностных характеристик лазерного гироскопа на температурных воздействиях. Гироскопия и навигация. Научно технический журнал. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - №2. - С. 80.

60. Суханов C.B. Компенсации погрешностей выходного сигнала лазерного гироскопа. Датчики и системы. Научно технический журнал. 2009. -№ 11.-С. 20-23.