Устройство для определения направления и скорости движения земли вокруг центра галактики

Настоящее изобретение представляет собой устройство для определения направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики. В соответствии с изобретением устройство содержит платформу в виде диска, размещенные на платформе функциональные устройства: (а) лазер, (б) двухплечный интерферометр, в котором первое и второе плечи, каждое, выполнены в виде световодов длиной L, многократно сложенных в прямые секции длиной l вдоль противоположно направленных радиусов диска и при этом в одном из плеч установлен электрооптический фазовый модулятор, (в) фотоприемник, (г) усилитель фототока, (д) электронное устройство обработки фототока и (е) первое приемно-передающее устройство, электропривод для вращения платформы, датчик углового вращения платформы, устройство управляемой ориентации оси вращения платформы по азимуту и углу места, сельсин-датчики для регистрации ориентации оси вращения платформы, второе приемно-передающее устройство и управляющее и вычислительное устройство. При этом электрооптический фазовый модулятор, фотоприемник, усилитель фототока и электронное устройство обработки фототока образуют контур обратной связи для генерации сигнала обратной связи, подаваемого на электрооптический фазовый модулятор и обеспечивающего постоянный уровень оптического сигнала на выходе интерферометра. При этом первое и второе приемно-передающие устройства создают беспроводный канал связи для телеметрической передачи данных о параметрах сигнала обратной связи к управляющему и вычислительному устройству. При этом управляющее и вычислительное устройство включает синхронный демодулятор для выделения, используя сигналы датчика углового вращения платформы, составляющей сигнала обратной связи на частоте вращения платформы. А также управляющее и вычислительное устройство включает цифровой процессор для определения по составляющей сигнала обратной связи на частоте вращения платформы, а также сигналам датчика углового вращения платформы и сигналам сельсин-датчиков направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики.

Данная полезная модель относится по назначению к средствам определения направления и скорости, по технической реализации - к оптоволоконной технике, по принципу работы - к спецрелятивистским устройствам.

Как известно, лазерный и волоконно-оптический гироскопы применяются для измерения угловой скорости и направления вращения. В обоих устройствах используется эффект Саньяка, имеющий спецрелятивистскую природу и заключающийся в разном времени пробега двух волн по кольцевому оптическому тракту по и против часовой стрелки. В первом устройстве выходным сигналом является частота биений двух волн, а во втором - фазовая задержка волн. Оба устройства используются в системах навигации в качестве чувствительных элементов, в том числе в гирокомпасах для определения направления оси вращения Земли и географической широты.

Лазерный и волоконно-оптический гироскопы, в их вариантах с максимально высокой чувствительностью, не могут использоваться для измерения характеристик движения Земли вокруг центра нашей Галактики, угловая скорость вращения которой 0,005" в год, а линейная скорость движения около 250 км/сек. Между тем возможность подобных измерений имела бы большое научное и практическое значение.

Научное значение - как новое средство для исследований в современной астрофизике и как дальнейшее развитие техники оптических приборов. Не меньшее значение имела бы прикладная сторона, связанная с возможностью измерения направления движения Земли.

На первый взгляд возможность измерения направления движения Земли вокруг центра Галактики звучит как абстрактная или чисто научная задача. Однако аналогичная задача повседневно решается в мореходной, воздушной и космической навигации, когда путем визуального наблюдения и пеленгации небесных светил определяют ориентацию корабля, самолета или космического корабля относительно какого-либо направления. В зависимости от конкретных условий выбирают направление на звезду, Солнце, край или центр планеты.

Таким образом, с точки зрения утилитарной полезности предлагаемое устройство могло бы стать альтернативой и дополнением к существующим астрономическим оптическим навигационным приборам, полезным особенно в условиях отсутствия или плохой видимости небесных светил.

В данной заявке была поставлена задача создания устройства, основанного также как лазерный и волоконно-оптический гироскопы на спецрелятивистском эффекте и предназначенного для определения направления и величины линейной скорости движения Земли по круговой орбите вокруг центра Галактики.

Поставленная задача была решена разработкой устройства для определения направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики, включающего:

платформу в виде диска;

размещенные на платформе устройства: (а) лазер, (б) двухплечный интерферометр, в котором первое и второе плечи, каждое, выполнены в виде световодов длиной L, многократно сложенных в прямые секции длиной l (lL) вдоль противоположно направленных радиусов диска и при этом в одном из плеч установлен электрооптический фазовый модулятор, (в) фотоприемник, (г) усилитель фототока, (д) электронное устройство обработки фототока и (е) первое приемно-передающее устройство;

электропривод для вращения платформы;

датчик углового вращения платформы;

устройство управляемой ориентации оси вращения платформы по азимуту и углу места;

сельсин-датчики для регистрации ориентации оси вращения платформы;

второе приемно-передающее устройство;

управляющее и вычислительное устройство.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы электрооптический фазовый модулятор, фотоприемник, усилитель фототока и электронное устройство обработки фототока образовывали контур обратной связи для генерации сигнала обратной связи, подаваемого на электрооптический фазовый модулятор и обеспечивающего постоянный уровень оптического сигнала на выходе интерферометра.

При этом согласно изобретению целесообразно также, чтобы первое и второе приемно-передающие устройства создавали беспроводный канал связи для телеметрической передачи данных о параметрах сигнала обратной связи к управляющему и вычислительному устройству.

При этом согласно изобретению целесообразно также, чтобы управляющее и вычислительное устройство включало синхронный демодулятор для выделения, используя сигналы датчика углового вращения платформы, составляющей сигнала обратной связи на частоте вращения платформы.

При этом согласно изобретению целесообразно также, чтобы управляющее и вычислительное устройство включало цифровой процессор для определения по составляющей сигнала обратной связи на частоте вращения платформы, а также сигналам датчика углового вращения платформы и сигналам сельсин-датчиков направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики.

В дальнейшем описание полезной модели поясняется описанием принципа работы релятивистского интерферометра, описанием примера его осуществления и чертежами.

На чертежах представлены:

Фиг.1 - схематичное изображение движущегося по круговой орбите объекта и световодов, а также систем координат, используемых для расчетов;

Фиг.2 - блок-схема устройства для определения направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 - замкнутый контур обратной связи для генерирования сигнала обратной связи, обеспечивающего постоянный уровень оптического сигнала на выходе интерферометра;

Фиг.4 - блок-схема управляющего и вычислительного устройства, входящего в состав устройства по Фиг.2;

Фиг.5 - эпюры сигналов, используемых в работе синхронного демодулятора, входящего в состав управляющего и вычислительного устройства по Фиг.4.

Принцип работы релятивистского интерферометра. На Фиг.1 схематично изображен равномерно движущийся по большой окружности объект 1 в виде некого диска и используемые для расчета системы отсчета. Полагаем, что объект 1 движется по круговой орбите с угловой и линейной скоростью, соответственно, и V. На объекте расположены два световода, 2 и 3, каждый длиной 2l и сложенный вдвое, соответственно, вдоль первой и второй направляющих 4 и 5, расположенных на одной линии и направленных в противоположные стороны. Световоды касаются концами друг друга и вращаются (с помощью какого-либо привода - на Фиг. не показан) против часовой стрелки с угловой скоростью (). Ось вращения световодов проходит между направляющими 4 и 5 и ориентирована параллельно оси, вокруг которой объект движется со скоростью V Другими словами, плоскость вращения световодов совпадает с плоскостью траектории движения объекта 1.

Пусть в световодах начинают распространяться две волны, - волна E ₁ в световоде 2 и волна E₂ в световоде 3, - и при этом каждая волна от одной из точек касания световодов, точки О, пробегает с начала до конца по одному из световодов. Затем волны переходят из одного световода в другой и пробегают в результате по двум световодам. Для исключения возможности возникновения саньяковского сигнала сложенные световоды находятся в одной плоскости с осью вращения, т.е. при вертикальном направлении оси вращения , как на Фиг.1, одна часть каждого световода располагается над другой частью.

Используем четыре системы отсчета - инерциальную систему К*, вокруг центра которой объект 1 движется по круговой орбите, собственную систему отсчета вращающихся световодов К, а также две сопровождающие системы отсчета К' и К".

Оси координат систем отсчета выберем так, чтобы плоскости z*=0, z=0, z'=0 и z"=0 совпадали с плоскостью траектории объекта 1. Начало координат собственной системе отсчета К совмещено с точкой между направляющими 2 и 3, через которую проходит ось вращения световодов, ось х ориентирована вдоль направляющей 5.

Сопровождающая система К' движется вместе с объектом 1, ее ось у' в каждый момент времени совпадает с направлением скорости V. Сопровождающая система К" в каждый момент времени неподвижная относительно инерциальной системы К*, начало ее координат совпадает с центом орбиты, оси х" и у" системы К" в каждый момент времени параллельны осям х' и у' системы К'.

Времена в четырех системах отсчета К*, К, К' и К" будем обозначать через t*, t, t' и t". Полагаем, что размеры объекта малы по сравнению с расстоянием между объектом и началом координат инерциальной системы К*. Тогда в инерциальной системе К* движение объекта будет отождествляться с движением начала координат сопровождающей системы отсчета К'. Полагаем также, что «событию» ввода волн в световоды соответствует произвольное время t в системе К и нулевые значения времен t'=t"=t*=0 и координаты х=у'=у"=у*=0.

Подчеркнем, что сопровождающие системы отсчета К' и К" в любой отдельный момент времени рассматриваются как инерциальные системы отсчета. Поэтому можно считать, что используются множества инерциальных систем отсчета и , которые сопровождают объект в различные моменты времени. При расчетах разность временных интервалов между соседними системами , и , устремляется к нулю и осуществляется непрерывный переход от одной системы к другой; суммирование малых времен и координат, полученных с использованием каждой системы, будет заменяться на интегрирование соответствующих величин.

Начиная расчет, систему отсчета вращающихся световодов К на ограниченных промежутках времени dt будем считать также инерциальной. Тогда справедливо полагать, что каждая из волн на этих промежутках времени пробегает по световодам в противоположных направлениях одинаковые расстояния dl=(c/n)dt, где с - скорость света в пустоте, n - показатель преломления материала световодов.

Система К' отличается от системы отсчета К лишь поворотом осей в общей плоскости, поэтому в этих системах времена для двух волн dt и dt'_1,2, соответствующие пробегам расстояний dl, равны:

а координаты преобразуются как при обычном повороте осей:

где t - время, - угол между первой направляющей 16 и осью у' в момент времени ввода волн t, знак «+» относится к волне E ₁ и знак «-» относится к волне Е₂.

Преобразования Лоренца для времени и координат из системы К' в систему К", - две системы движутся относительно друг друга вдоль общего направления осей у" и у' со скоростью V, - имеют вид [1]:

и

Перепишем выражения (3), полагая, что Vc и отбрасывая члены порядка (V/с)² и меньшие:

Выражения (4) и (5) справедливы на ограниченных интервалах времени и координат. Для суммирования времен и координат их нужно пересчитать в одну инерциальную систему: или в инерциальную систему К*, вокруг центра которой объект движется по окружности, или в любую систему отсчета из множества . Ради определенности выберем из этого множества систему отсчета, соответствующую окончанию пробега волны E₁ по длине трассы 4l; обозначим эту систему как К**.

Так как все системы отсчета неподвижны друг относительно друга, а траектория движения на конечных интервалах времени представляет практически прямую линию, то при преобразованиях Лоренца времена (4) и координаты (5) переносятся «один к одному» в выбранную систему отсчета К**:

и

Расчет начнем с определения времен пробега каждой из двух волн E₁ и Е₂ расстояний l от места начала пробега волн до поворота в точках А и В. Интегрирую (4) и полагая, что угол за время пробега света по этим двум дистанциям изменяется незначительно, а поэтому можно заменить cos(t+) на cos(+_l/2) и вынести последний из-под знака интеграла (_l=ln/с). В результате получим:

Сделав поворот в точках А и В, волны пробегают по световодам в обратном направлении при несколько других углах между осями х и х', нежели бывших до поворота волн. Поэтому времена пробега каждой из двух волн по полной длине световодов 2l, как можно проверить, будут:

Выражение (8) состоит из двух слагаемых, при этом первое слагаемое есть нерелятивистское время пробега света по длине световодов t**=2ln/c, второе слагаемое значительно меньше по абсолютной величине и имеет противоположные знаки для двух волн (или двух событий). Поэтому в инерциальной системе К** время для одного события немного меньше, а для другого события, напротив, немного больше времени t*.

Принципиально другая ситуация с пространственными координатами. При орбитальном движении в каждый момент времени координата движущегося объекта по оси у" в сопровождающей системе К" (или, что одно и то же, в любой из систем ) равна нулю: y'_Object(V)=0. Другими словами, при круговом движении в этой системе отсчета не работает механизм суммирования координат.

Правомерно посчитать, что отсутствие механизма суммирования координат при движении объекта по круговой орбите равным образом относится также к событиям, связанным с пробегом волн по вращающимся световодам.

В этом случае картину формирования пространственных координат событий, связанных с движением объекта и пробегом волн по вращающимся световодам, в выбранной системе отсчета К** можно представить как два одновременных процесса. Первый процесс - возникновение все новых координат dy**_1,2 , отличающихся от состоявшихся ранее, и второй процесс - наложение координат dy**_1,2 в области около у"=0 на ранее состоявшиеся, но без их суммирования. В результате, координаты двух событий, соответствующих окончанию пробега двух волн, будут тождественно равны нулю:

В инерциальной системе к** следующая из (8) разность времен t**(2l,V)=t**₁(2l,V)-t**₂(2l,V):

а следующая из (9) разность координат y**(t,2l,V)=y**₁(t,2l,V)-y**₂(t,2l,V) равна нулю, т.е.

Выражения (10, 11) для времен и координат в инерциальной системе отсчета К** позволяют определить задержку волн в собственной системе отсчета К. Сначала с помощью преобразований Лоренца следует перейти в обратном направлении в сопровождающую систему К' и определить задержку в этой системе. При этом принять во внимание, что искомая разность времен заведомо малая и в соответствующих формулах преобразований Лоренца скорость V следует заменить на - V (ибо система К' движется относительно системы К* со скоростью - V).

Затем из сопровождающей системы К' перейти в собственную систему К (в этом переходе разность времен сохраняется) и таким образом получим:

Отметим, что если бы объект двигался прямолинейно и равномерно со скоростью V₁₁, то для разности координат в системе К** вместо (11) получили бы другое выражение, в котором правая часть не была бы равна нулю, а имела конечную величину - причем такую, что после перехода в собственную систему К временная задержка оказалась бы равной нулю. Такой результат соответствовал бы известному постулату специальной теории относительности, что никакими физическими опытами, проведенными внутри инерциальных систем, невозможно установить, покоятся ли они или движутся прямолинейно и равномерно.

Увеличим длину каждого из двух световодов в N раз до длины L=2Nl, многократно сложим каждый вдоль направляющих таким образом, чтобы длина прямых участков, числом 2N, была бы по-прежнему равна l. В таком виде каждый световод в описываемом

ниже интерферометре (Фиг.2) будет одним из его плеч. Пусть световоды снова касаются друг друга своими концами, а все устройство вращается с угловой скоростью .

Повторяя использованную выше процедуру расчета, для времен пробега двух волн по световодам большой длины L=2Nl получим:

Соответственно, временная задержка волн по часам, вращающимся вместе со световодами, также станет существенно больше.

Для дальнейших расчетов важна разность фаз двух волн. Рассматривая как задержку времени распространения точек фиксированных фаз двух волн, соответствующая разность фаз может быть представлена как

где - длина волны света.

После несложных преобразований разность фаз (14) запишется в виде:

Выполним в последнем выражении подстановку =₀+t, где ₀ есть угол между направляющей, вдоль которой сложены световоды, и осью у' в начальный момент времени t=0. Имея ввиду, что разность фаз становится функцией времени, перепишем (15):

где в аргументе синуса в правой части опущена малая по величине фаза _l.

Из (16) следует, что разность фаз двух волн при вращении световодов можно представить в виде гармонической функции:

где амплитуда есть:

До сих пор мы рассматривали случай ориентации оси вращения световодов перпендикулярно направлению скорости объекта V. Нетрудно показать, что при произвольной ориентации плоскости вращения световодов относительно направления скорости V разность фаз двух волн в результате пробега по световодам длиной L=2Nl будет:

где у - угол между осью круговой орбиты, по которой Земля движется со скоростью V, и осью вращения платформы (см. выноску на Фиг.2), а - некая фаза, зависящая от положения световодов в начальный момент времени t=0.

Из выражения (19) следует, что если плоскость вращения параллельна направлению скорости V, то разность фаз на каждом периоде вращения достигает максимального значения и в этом случае выражения (19) и (17) совпадают, а фазы и ₀ становятся равными, т.е. =₀. Если же плоскость вращения перпендикулярна направлению скорости движения V, то разность фаз двух волн тождественно равна нулю.

Рассмотренный процесс образования разности фаз во вращающихся световодах переносится на интерферометр, два плеча которого выполнены в виде световодов длиной

L, сложенных в прямые секции длиной l вдоль двух направляющих, обе расположенные на одной линии, перпендикулярной оси вращения, и направленные в противоположные стороны.

При этом интерферометр должен достаточно быстро вращаться, должна иметься возможность переориентации плоскости вращения интерферометра, необходимо измерять разность фаз на выходе интерферометра и должны иметься средства (датчики) для регистрации положения в пространстве и времени плоскости вращения интерферометра и одной из направляющих, вдоль которой сложено соответствующее плечо интерферометра.

Перед тем как перейти к описанию одного из возможных вариантов полезной модели сделаем оценку величины ожидаемого сигнала. По результатам измерения доплеровского сдвига эмиссионных линий водорода, содержащегося в космосе, скорость движения Земли вместе с солнечной системой составляет 220÷250 км/с. При длине плеч интерферометра L=20 м, длине прямых секций l=10 см и угловой скорости вращения интерферометра 150 рад/с (~25 об\с) ожидаемая амплитуда (18) должна быть 0,01 рад. Это достаточно большая величина, превышающая на 3÷4 порядка сигналы, которые измеряются в современной технике волоконных датчиков (конкретно, в технике волоконно-оптических гироскопов).

Однако в нашем случае возникает проблема «невзаимности» интерферометра, связанная с тем, что каждая из двух волн, пробегая по плечам интерферометра, на выходе интерферометра будет иметь отличающиеся фазовые флуктуации (t) из-за неизбежных тепловых, механических и др. наводок и нестабильностей. Поэтому при интерференции волн флуктуации (t) не скомпенсируют друг друга, что имеет место, например, в случае волоконно-оптического гироскопа, и следовательно измерить разность фаз (17) и (19), выделив ее из тока фотоприемника, казалось бы не представляется возможным.

Однако существует подход, предлагаемый в данной заявке, позволяющий решить проблему «невзаимности» интерферометра. Он заключается в использовании техники измерения сигнала с замкнутым контуром обратной связи. Контур обратной связи можно построить на основе широкополосного электрооптического фазового модулятора и соответствующего цифрового устройства, вырабатывающего сигнал обратной связи. При этом полезный сигнал, содержащий необходимую информацию, будет выделяться из сигнала обратной связи, подаваемого на электрооптический фазовый модулятор.

Осуществление полезной модели. На Фиг.2 приведена блок-схема устройства 20 для определения направления и скорости движения Галактики по круговой орбите. В состав устройства 20 входят платформа 21 в виде диска и электропривод 22 для вращения платформы вокруг оси 23, перпендикулярной поверхности диска и проходящей через его центр. Корпус электропривода 22 закреплен в подвижной части устройства управляемой ориентации оси вращения платформы 24 в пространстве (ориентации по азимуту и углу места, подобно антенне радиолокационного устройства).

На поверхности платформы 21 размещены следующие функциональные устройства: лазер 25, двухплечный волоконно-оптический интерферометр 26, состоящий из (а) первого оптического разветвителя 27-1, (б и в) первого и второго плеча интерферометра 28 и 29 в виде световодов, сложенных, соответственно, вдоль противоположно направленных первой 30 и второй 31 направляющих, (г) широкополосного фазового модулятора 32 и (д) второго оптического разветвителя 27-2; на платформе 21 также фотоприемник (ФД) 33, усилитель фототока 34, электронное устройство обработки фототока 35 и первое приемно-передающее устройства 36.

Кроме того, устройство 20 включает второе приемно-передающее устройство 37, управляющее и вычислительное устройство 38, а также датчик угловой скорости вращения платформы, состоящий из статора 39, вынесенного на консоли 40 от корпуса электропривода 22, и ротора 41 на платформе 21. Два приемно-передающих устройства,

36 и 37, образуют канал связи 42 между стационарным управляющим и вычислительным устройством 38 и функциональными устройствами на вращающейся платформе.

Платформа-диск 21 имеет диаметр 20 см. В качестве электропривода 22 используется электродвигатель с системой питания; скорость вращения платформы 20÷30 об/с.

Устройство управляемой ориентации оси вращения платформы 24 обеспечивает задаваемую в пространстве ориентацию вращающейся платформы. Ось вращения платформы 23 может изменять положение по азимуту в диапазоне 0÷180° и углу места в диапазоне 0÷90°. Повороты выполняются с помощью двух электроприводов (на Фиг.2 не показаны) по командам от управляющего и вычислительного устройства 38. Поворотное устройство 24 включает также два сельсин-датчика для фиксации ориентации оси вращения платформы (также не показаны), сигналы которых используются для регистрации положения в пространстве вращающейся платформы.

Источником излучения 25 является одночастотный лазерный диод (ЛД). Длина волны излучения 830 нм, ЛД снабжен изолятором для исключения обратного отражения.

Первый оптический разветвитель 27-1 представляет собой волоконный разветвитель конфигурации «2х2» на световодах с сохранением поляризации. Разветвитель 27-1 делит излучение от источника излучения 25 на две волны, примерно равные по интенсивности, и направляет каждую в одно из плеч интерферометра.

Плечи интерферометра, первое 28 и второе 29, выполнены также из одномодовых световодов с сохранением поляризации, длина каждого L=25 м, световоды сложены в прямые секции длиной 10 см вдоль направляющих, соответственно, первой 30 и второй 31, расположенных на одной линии по разные стороны от оси вращения 23.

После пробега по плечам интерферометра 28 и 29 одна из двух волн поступает на широкополосный электрооптический фазовый модулятор 32. Модулятор представляет собой электрооптический кристалл ниобата лития с канальным волноводом на поверхности и электродами обе стороны волновода. Подобные устройства хорошо известны в волоконно-оптической технике (см., например, [2]).

На электроды фазового модулятора 32 поступает электрический сигнал обратной связи - напряжение U_f(f) (индекс «f» от слова feedback). В результате в пробегающую волну вносится дополнительная фаза _f (t):

где - параметр электрооптического фазового модулятора, связывающий фазу волны и подаваемое напряжение.

Далее две волны объединяются с помощью второго оптического разветвителя 27-2, идентичного разветвителю 27-1, смешиваются и интерферируют. Интенсивность поля на выходе интерферометра 26 будет:

где I₀ - интенсивность каждой из двух волн и .

Обозначим через Ф(t) сумму трех фаз, т.е. и перепишем выражение (21):

Интенсивность (22) преобразуется фотодиодом 33 в фототок. С помощью усилителя 34 фототок усиливается до уровня, необходимого для дальнейшей обработки фототока. На выходе усилителя ток может быть представлен как

где - квантовая эффективность ФД 33 и - коэффициент усиления буферного усилителя 34.

Электронное устройство обработки фототока 35 используется для формирования сигнала обратной связи U_f(t), несущего информацию о направлении и скорости движения Земли вокруг центра Галактики . В состав устройства 35 входят АЦП-1 43, контроллер 44 и ЦАП 45. Выход устройства 35 соединен с электродами фазового модулятора 32 и первым приемно-передающим устройством 36.

Как можно видеть на Фиг.3., электронное устройство обработки фототока 35, фотоприемник 33, усилитель 34 и широкополосный фазовый модулятор 32, связанные оптическими и электрическими трактами, образуют контур обратной связи. Поясним функционирование контура обратной связи.

АЦП-1 43 преобразует ток от буферного усилителя в цифровой формат и подает сигнал на входа контроллера 44. Контроллер 44 - устройство, непосредственно вырабатывающее напряжение (сигнал) обратной связи U_f (t).

Сигнал обратной связи U_f(t) формируется в результате стабилизации уровня тока i(t), а следовательно и оптического сигнала на выходе интерферометра - оптической интенсивности (22). Стабилизация оптического сигнала означает, что фаза Ф(t) в процессе работы также удерживается на фиксированном уровне. Положим, что оптическая интенсивность и ток остаются на «среднем» уровне:

и

Это означает, что фаза Ф(t) в процессе измерений постоянна и равна:

где m - любое целое число.

Инструментом стабилизации уровня тока является фаза _f(t), которая в режиме стабилизации должна определяться выражением: . Соответственно, сигнал обратной связи, т.е. напряжение U_f(t), будет определяться выражением

Из (26) следует, что в режиме стабилизации сигнал обратной связи U_f(t) содержит интересующую нас разность фаз , которая может быть выделена и измерена.

Для стабилизации уровня тока контроллер 44, - цифровое устройство, - должен быть запрограммирован соответствующим образом. Один из возможных алгоритмов работы контроллера 44 заключается в сравнении текущего значения тока i(t) и уровня i_st. Если текущая амплитуда i(t) меньше, чем уровень i_st, то напряжение U_f(t) возрастает, если же, напротив, амплитуда i(t) больше, чем уровень i_st, то напряжение U_f (t) убывает; в результате ток i(t) будет удерживаться в области около значения i₀. Таким образом будет генерироваться напряжение, или сигнал обратной связи U_f(t), стабилизирующее ток (23) и позволяющее в конечном итоге измерять величину и знак сигналов (17, 19).

ЦАП 45 служит для преобразования сигнал обратной связи U_f(t) из цифрового формата в аналоговый формат.

Датчик угловой скорости вращения платформы - индукционного типа, состоящий из статора 39 (на консоли 40) и ротора 41. Статор 39 представляет катушку с обмоткой и сердечник, ротор 41 - зубчатый выступ на краю платформы 21, связанный с

направляющей 30. При приближении ротора 41 к статору 39 в обмотке последнего возникает импульсный сигнал, соответствующий фиксированному положению плеч интерферометра относительно статора 39.

Датчик угловой скорости вращения платформы позволяет контролировать угловую скорость вращения платформы, а также, что очень важно, формировать опорное напряжение, необходимое для обработки сигнала обратной связи, выполняемой устройством 38 и, наконец, определять положение плеч интерферометра в плоскости вращения на каждом периоде вращения.

Радиоканал связи 42, - беспроводный канал связи, или bluetooth, - образован двумя приемно-передающими устройствами 36 и 37. По каналу связи 42 в одном направлении передается телеметрические данные о работе функциональных устройств, размещенных на вращающейся платформе, в том числе, передается параметры сигнала обратной связи U_f(t).

Назначением управляющего и вычислительного устройства 38 является управление работой всего устройства 20, определение направления и скорости движения и вывод данных в вышестоящую систему навигации. Блок-схема устройства 38 приведена на Фиг.4, в ее состав входят коммутатор сигналов 45, АЦП-2 46, цифровой процессор 47, синхронный демодулятор 48, АЦП-3 49 и устройство вывода 50.

Коммутатор сигналов 45 позволяет разделить сигналы, получаемые от приемно-передающего устройства 37 и направить их по соответствующему адресу: сигналы датчика скорости и сельсин-датчиков - через АЦП-2 к процессору 47, сигнал обратной связи U_f(t) - к синхронному демодулятору 48.

В процессоре 47 заложен алгоритм управления работой всех систем устройства 20. Синхронный демодулятор 48 используется для выделения из сигнала обратной связи U_f (t) сигнала на частоте вращения платформы с интерферометром.

Как известно, синхронное демодулирование позволяет реализовать узкополосную фильтрацию сигнала известной частоты [3]. Процедура синхродемодулирования состоит в умножении сигнала обратной связи U_f(t) на опорный сигнал синусоидальной или прямоугольной формы и в последующем усреднении произведения двух сигналов на интервале времени Т. Пусть используется опорный сигнал прямоугольной формы, обозначим его как rect(t+); напряжение S на выходе синхронного демодулятора в этом случае будет:

На Фиг.5 приведены эпюры двух сигналов rect(t+), соответствующих разным фазам - =0 и 0. Можно видеть, что эти сигналы принимают лишь два значения «-1» и «+1» и имеют частоту . Спектральное разложение обоих сигналов представляет сумму нечетных гармоник, синусоидальных функций, начиная с первой гармоники на частоте . Именно первая гармоника позволяет выделить из сигнала обратной связи U_f(t) разность фаз , представляющую собой также синусоиду на частоте , тогда как вклады от всех других гармоник дадут при усреднении на интервале времени Т нуль.

Опорные сигналы формируются процессором 47 с помощью импульсных сигналов датчика угловой скорости вращения. На Фиг.5 показано как импульсы этого датчика, возникающие в моменты t_k, являются «запускающим» для опорного сигнала, фаза при этом задается процессором 47.

В соответствии с (27) вклады от постоянной фазы Ф_st и флуктуаций окажутся пренебрежительно малыми и поэтому результирующий сигнал можно представить как

причем положительное максимальное значение (28) будет иметь место при равенстве фаз и , т.е. при условии =.

Так как направление скорости движения V априори не известно, то измерения будут начинаться при случайном положении плоскости вращения платформы относительно искомого направления скорости V. В этом положении, варьируя фазу , - это просто делается, как только что отметили, с помощью процессора 47, - следует определить максимальное положительное значение сигнала на выходе синхронного демодулятора 48 и соответствующую фазу . Так как любое положение плоскости вращения в пространстве характеризуется азимутом и углом места , то полученное положительное максимальное значение (28) можно обозначить как S(,,); в соответствии с (19) и (28) этот сигнал будет функцией амплитуды и фазы :

причем отдельно амплитуда и угол пока останутся неизвестными.

Далее производится поиск положения плоскости (оси) вращения платформы, при котором сигнал S(,,) принимает максимальное значение. Очевидно, это положение будет соответствовать углу =0.

Поиск может производиться различным образом. Например, путем методической перестройки положения плоскости вращения платформы по принципу строчной развертки, когда отдельной «строкой» будет перестройка по азимуту на малые углы при постоянном угле места , а следующая «строка» будет отличаться по углу места на величину . В результате может быть покрыт весь диапазон, соответствующий изменению азимута [0°, 180°] и угла места [0°, 90°].

Таким образом находят положение, соответствующее углу =0. Так как в найденном положении фаза равна фазе ₀ то полученный максимальный сигнал может быть записан как S_max(,,₀).

После этого нетрудно уже определить направление скорости движения V. Здесь существенно то, что в течение всего времени измерения по сигналам сельсин-датчиков отслеживается положение плоскости (оси) вращения платформы с интерферометром, а по сигналам датчика скорости - позиция первой направляющей 30. Это позволяет однозначно определить искомое направление скорости V - оно будет в найденной плоскости вращения интерферометра, т.е. в той плоскости, в которой сигнал S(,,) имеет максимальное значение S_max(,,₀), и указываться вектором, повернутым относительно положения первой направляющей 30 на угол ₀ против направления вращения в моменты времени {t_k}, соответствующие импульсам датчика скорости.

Для определения абсолютной величины скорости движения V нужно вычислить амплитуду _max:

которая, в свою очередь, позволит определить скорость:

Описанный алгоритм определения направления и скорости движения V, вероятно, не оптимальный, так как, по-видимому, в подавляющем числе возможных применений

данного устройства будет необходимо измерять только направление скорости, тогда как величина скорости движения V будет известной - это постоянная скорость движения Земли вокруг центра Галактики. Соответственно, в этом случае еще до начала измерений будет известна амплитуда .

Следовательно, в первом же, исходном, положении плоскости вращения измерение сигнала S(,,) позволит с помощью (29) определить угол . Дальнейшие измерения можно выполнить значительно быстрее, перемещая ось вращения платформы по боковой поверхности конуса под углом 90°- относительно начального положения оси вращения. Максимальное значение сигнала синхронного демодулятора снова укажет искомое положение, соответствующее углу =0.

Устройство вывода 50 предназначено для выдачи полученных данных о направлении и скорости V в систему навигации корабля, самолета или космического корабля, на борту которых может использоваться рассматриваемое устройство.

Отметим, что собственная скорость движения транспортного средства, а также движение Земли вокруг Солнца могут внести ошибку в рассмотренные выше измерения, но величина ошибки не будет большой, так как соответствующие скорости на два порядка, минимум, меньше скорости движения Земли вокруг центра Галактики V250 км/с.

Заключая, следует сказать, что на основе предлагаемого устройства могут быть созданы новые навигационные и геодезические системы, которые позволят определять местоположение, ориентацию опорных осей транспортного средства или других объектов относительно принятой системы координат, величину и направление скорости движения, направление и расстояние до цели и т.д. Предлагаемое устройство будет дополнением существующих астрономических оптических устройств, имеющих недостаток, что для их работы необходима хорошая видимость небесных светил. Данное устройство может найти применение в мореходной, авиационной и космической навигации, а также стать новым инструментом исследований в астрофизике.

Рассмотренный вариант реализации устройства для определения направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики поясняет принцип работы данного устройства (полезной модели) и возможные применения. Специалистам должно быть очевидно, что в рамках настоящего изобретения возможны альтернативные варианты и модификации.

1. Устройство для определения направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики, содержащее платформу в виде диска, размещенные на платформе устройства: (а) лазер, (б) двухплечный интерферометр, в котором первое и второе плечи, каждое, выполнены в виде световодов длиной L, многократно сложенных в прямые секции длиной l (l<<L) вдоль противоположно направленных радиусов диска, при этом в одном из плеч установлен электрооптический фазовый модулятор, (в) фотоприемник, (г) усилитель фототока, (д) электронное устройство обработки фототока и (е) первое приемно-передающее устройство, электропривод для вращения платформы, датчик углового вращения платформы; устройство управляемой ориентации оси вращения платформы по азимуту и углу места; сельсин-датчики для регистрации ориентации оси вращения платформы; второе приемно-передающее устройство; управляющее и вычислительное устройство.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрооптический фазовый модулятор, фотоприемник, усилитель фототока и электронное устройство обработки фототока образуют контур обратной связи для генерации сигнала обратной связи, подаваемого на электрооптический фазовый модулятор и обеспечивающего постоянный уровень оптического сигнала на выходе интерферометра.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первое и второе приемно-передающие устройства создают беспроводный канал связи для телеметрической передачи данных о параметрах сигнала обратной связи к управляющему и вычислительному устройству.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что управляющее и вычислительное устройство включает синхронный демодулятор для выделения, используя сигналы датчика углового вращения платформы, составляющей сигнала обратной связи на частоте вращения платформы.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что управляющее и вычислительное устройство включает цифровой процессор для определения по составляющей сигнала обратной связи на частоте вращения платформы, а также сигналам датчика углового вращения платформы и сигналам сельсин-датчиков направления и скорости движения Земли вокруг центра Галактики.