Бесплатформенная инерциальная гировертикаль
Полезная модель относится к системам ориентации и навигации подвижных объектов, в частности к бесплатформенным инерциальным гировертикалям (БИГВ), в которых используется измерительная информация, получаемая с датчиков угловых скоростей и с блока акселерометров. БИГВ предназначены для определения угловой ориентации объекта относительно местной вертикали.
Бесплатформенная инерциальная гировертикаль с контуром коррекции содержит трехканальный блок датчиков угловых скоростей, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали, дискретный фильтр Винера, блок коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений и сумматор, причем выход трехканального блока датчиков угловых скоростей соединен с первым входом дискретного фильтра Винера, выход трехканального блока линейных акселерометров соединен со вторым входом дискретного фильтра Винера и положительным входом сумматора, выход дискретного фильтра Винера соединен с отрицательным входом сумматора и входом блока вычисления наблюдаемой вертикали, выход сумматора соединен с входом блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений, выход блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений соединен с третьим входом дискретного фильтра Винера.
Введением блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений и сумматора с двумя входами достигается существенное снижение погрешности по углам тангажа и крена при воздействии постоянных и медленно меняющихся ускорений. 1 н.п.ф., 1 илл.
Полезная модель относится к системам ориентации и навигации подвижных объектов, в частности к бесплатформенным инерциальным гировертикалям (БИГВ), в которых используется измерительная информация, получаемая с датчиков угловых скоростей и с блока акселерометров. БИГВ предназначены для определения угловой ориентации объекта относительно местной вертикали.
Известна бесплатформенная инерциальная курсовертикаль [Пат. 
2249791, Российская Федерация, МПК7 G01C 21/16. Бесплатформенная инерциальная курсовертикаль / Д.Р.Березин, А.Т.Кизимов, С.М.Алексеев, А.Н.Лебедев, В.Ф.Фролов; патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро "Луч" - 2003119015/28; заявл. 24.06.2003; опубл. 10.04.2005]. Она состоит из трехканального блока датчиков угловых скоростей, трехканального блока линейных акселерометров, блока интеграторов, формирователя производных от углов ориентации, блока коррекции, блока вычисления наблюдаемой вертикали, блока вычисления погрешностей курсовертикали, фильтра, блока выставки курса.
Недостатком известной бесплатформенной инерциальной курсовертикали является то, что накапливаемые со временем погрешности в определении угловой ориентации объекта, обусловленные погрешностями трехканального блока датчиков угловых скоростей, устраняются за счет канала коррекции, в котором применяется фильтр нижних частот, пропускающий только статические погрешности по углам, вырабатываемым интегратором. Это в свою очередь приводит к запаздыванию коррекции угловых скоростей по углам ориентации и увеличению погрешности в выработке углов тангажа и крена, а также к необходимости подбора параметров фильтра для каждого подвижного объекта и условий его эксплуатации отдельно. При этом фильтр нижних частот пропускает постоянные и медленно меняющиеся значения линейных ускорений, что в свою очередь приводит к существенным погрешностям по углам тангажа и крена на участках движения подвижного объекта таких как разворот, разгон, торможение и набор высоты.
Наиболее близким аналогом является бесплатформенная инерциальная гировертикаль [Патент на полезную модель 96235 РФ. Бесплатформенная инерциальная гировертикаль / А.П.Шведов, Ю.В.Иванов, В.Я.Распопов.]. Устройство содержит трехканальный блок датчиков угловых скоростей, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали и дискретный фильтр Винера с двумя входами, причем выход трехосного блока датчиков угловых скоростей соединен с первым входом дискретного фильтра Винера, а выход трехканального блока линейных акселерометров соединен со вторым входом дискретного фильтра Винера, при этом выход дискретного фильтра Винера соединен с входом блока вычисления наблюдаемой вертикали.
Недостатком известной бесплатформенной инерциальной гировертикали является то, что при наличии постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений объекта происходит увеличение погрешности системы по углам тангажа и крена по закону близкому к апериодическому с некоторой постоянной времени. Таким образом известная бесплатформенная инерциальная гировертикаль обеспечивает удовлетворительную погрешность при выработке углов тангажа и крена только при наличии быстро меняющихся линейных ускорений или линейных ускорений импульсного характера.
Технической задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерения углов тангажа и крена бесплатформенной инерциальной гировертикалью за счет компенсации погрешности бесплатформенной инерциальной гировертикали, возникающей при воздействии постоянных или медленно меняющихся ускорений.
Поставленная техническая задача решена тем, что в бесплатформенной инерциальной гировертикали содержащей трехканальный блок датчиков угловых скоростей, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали и дискретный фильтр Винера, дополнительно введен блок коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений и сумматор с двумя входами, причем выход трехканального блока линейных акселерометров соединен с положительным входом сумматора, а выход дискретного фильтра Винера соединен с отрицательным входом сумматора, при этом выход сумматора соединен с входом блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений, выход блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений соединен с третьим входом дискретного фильтра Винера.
Бесплатформенная инерциальная гировертикаль с контуром коррекции содержит трехканальный блок датчиков угловых скоростей, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали, дискретный фильтр Винера, блок коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений и сумматор, причем выход трехканального блока датчиков угловых скоростей соединен с первым входом дискретного фильтра Винера, выход трехканального блока линейных акселерометров соединен со вторым входом дискретного фильтра Винера и положительным входом сумматора, выход дискретного фильтра Винера соединен с отрицательным входом сумматора и входом блока вычисления наблюдаемой вертикали, выход сумматора соединен с входом блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений, выход блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений соединен с третьим входом дискретного фильтра Винера.
Полезная модель поясняется рисунком на фиг.1.
Бесплатформенная инерциальная гировертикаль содержит трехканальный блок датчиков угловых скоростей 1, трехканальный блок линейных акселерометров 2, дискретный фильтр Винера 3, блок вычисления наблюдаемой вертикали 4, блок коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений 5 и сумматор 6, причем выход трехканального блока датчиков угловых скоростей 1 соединен с первым входом дискретного фильтра Винера 3, выход трехканального блока линейных акселерометров 2 соединен со вторым входом дискретного фильтра Винера 3 и положительным входом сумматора 6, выход дискретного фильтра Винера 3 соединен с отрицательным входом сумматора 6 и входом блока вычисления наблюдаемой вертикали 4, выход сумматора 6 соединен с входом блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений 5, выход блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений 5 соединен с третьим входом дискретного фильтра Винера 3.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Трехканальный блок акселерометров 2 вырабатывает наблюдаемые ускорения nx, ny , nz, содержащие как проекции ускорения свободного падения Земли, так и ускорения, обусловленные движением объекта, которые поступают на второй вход дискретного фильтра Винера 3. Угловые скорости 
x; y; Qz, представляющие собой проекции абсолютной угловой скорости движения объекта на оси связанной системы координат, вырабатываемые трехканальным блоком датчиков угловых скоростей 1, поступают на первый вход дискретного фильтра Винера 3, где используются в кинематических выражениях, описывающих изменение проекций вектора ускорения свободного падения Земли на оси связанной системы координат.
Дискретный фильтр Винера 3 на основании кинематических выражений выделяет в наблюдаемых ускорениях проекции ускорения свободного падения Земли на оси связанной системы координат, а составляющие, обусловленные ускоренным движением объекта, подавляются. Проекции ускорения свободного падения Земли на оси связанной системы координат по обратной связи поступают на отрицательный вход сумматора 6 и суммируются с сигналом наблюдаемых ускорений, вырабатываемых трехканальным блоком акселерометров 2, поступающих на положительный вход сумматора 6, сигнал с выхода сумматора 6 поступает на блок коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений 5. С выхода блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений 5 подаются поправочные величины 
x, y, z, на третий вход дискретного фильтра Винера 3, где они вычитаются из спрогнозированных фильтром Винера значений проекций gx, gy, gz.
Блок коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений 5 формирует значения поправок для значений проекций gx , gy, gz, которые прогнозирует фильтр Винера. Значения поправочных величин формируются в блоке коррекции 5 путем преобразования разносного сигнала с выхода сумматора передаточными функциями:
,
,
.
где Wx(p), Wy (p), Wz(p) - передаточные функции по каналам проекций gx, gy, gz соответственно.
Коэффициенты описанных передаточных функций A 0, А1, А2, А3, А4 , А5 определяются в соответствии с выражениями:
A0=
2k, A1=3, А2=2k, А3=3, А4=2k, А5=3,
где - шаг дискретизации бесплатформенной инерциальной гировертикали;
k - коэффициент передачи дискретного фильтра Винера;
k2=(1-k);
Коэффициенты передаточных функций B0, В1, В2, В3, В 4, В5 определяются в соответствии с выражениями:
, 
, 
, B3(
y)=2(3k+yk2), 
, B5(z)=2(3k+zk2),
где х, y, z - значения проекций угловых скоростей, вырабатываемые трехканальным блоком датчиков угловых скоростей.
Коэффициенты передаточных функций С0, С1 , С2, С3, С4, С5 определяются в соответствии с выражениями:
,
,
,
,
,
,
Коэффициенты передаточных функций D1, D3, D5 определяются в соответствии с выражениями:
,
,
,
Коррекция спрогнозированных проекций gх, gy, gz внутри фильтра Винера обеспечивает существенное снижение погрешности по углам тангажа и крена при воздействии постоянных и медленно меняющихся ускорений по сравнению с известной бесплатформенной инерциальной гировертикалью.
Таким образом, предлагаемое устройство, реализация которого может быть выполнена в соответствии фиг.1, позволяет увеличить точность определения углов тангажа и крена, по сравнению с известным устройством, при воздействии постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений, за счет введения блока коррекции этих ускорений.
Бесплатформенная инерциальная гировертикаль, содержащая трехканальный блок датчиков угловых скоростей, трехканальный блок линейных акселерометров, блок вычисления наблюдаемой вертикали и дискретный фильтр Винера, причем выход трехканального блока датчиков угловых скоростей соединен с первым входом дискретного фильтра Винера, а выход трехканального блока линейных акселерометров соединен со вторым входом дискретного фильтра Винера, при этом выход дискретного фильтра Винера соединен с входом блока вычисления наблюдаемой вертикали, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен блок коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений и сумматор, при этом выход трехканального блока линейных акселерометров соединен с положительным входом сумматора, а выход дискретного фильтра Винера соединен с отрицательным входом сумматора, при этом выход сумматора соединен с входом блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений, выход блока коррекции постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений соединен с третьим входом дискретного фильтра Винера.
