Датчик первичной инерциальной информации
Полезная модель относится к приборостроению и может быть использована в качестве датчика первичной информации в составе бесплатформенной инерциальной системы основного изделия. Требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей и повышении точности устройства, достигается в устройстве, содержащем три акселерометра, трехосный лазерный гироскоп, плату усилителей, входы которой соединены с выходами акселерометров, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом платы усилителей, плату счетчиков, первый вход-выход которой соединен с входом-выходом трехосного лазерного гироскопа, одноплатный компьютер, первый вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом платы счетчиков, и модуль связи, выход которого является выходом лазерного инерциального измерительного блока, а вход-выход - соединен с первым входом-выходом общей шины, второй, третий и четвертый входы-выходы которой соединены с входом-выходом аналого-цифрового преобразователя, со вторым входом-выходом одноплатного компьютера и третьим входом-выходом платы счетчиков, соответственно. 1 ил.
Полезная модель относится к приборостроению и может быть использована в качестве датчика первичной информации в составе бесплатформенной инерциальной системы основного изделия для определения и выдачи в его систему управления:
- трех проекций кажущегося ускорения на оси связанной с блоком чувствительных элементов изделия системы координат (СВСК);
- трех проекций приращений углов на оси СВСК;
- матриц направляющих косинусов осей чувствительности лазерного гироскопа (ЛГ) и акселерометров относительно СВСК.
Известно устройство состоящее из трехкомпонентного магнитометра, включающего магниточувствительный датчик, двух трехкомпонентных акселерометров, регистрирующего блока, вычислительного устройства, инерциального устройства и катушки индуктивности, размещенных на подвижном объекте и включенных между собой соответствующим образом, обеспечивает исключение влияния ускорений объекта, обусловленного неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, на погрешность определения углового положения упомянутого объекта, что повышает точность определения углового положения подвижного объекта [RU 2285931, C1, G01R 33/02, 20.10.2006].
Недостатком устройства является его относительно узкие функциональные возможности.
Известно также устройство обработки измерительной информации, содержащее блок датчиков магнитного поля, блок датчиков линейного ускорения, блок преобразования показаний датчиков, блок расчета горизонтальных проекций магнитного поля Земли (МПЗ), блок управления, датчик перемещения, блок расчет угла, блок расчета приращений координат, первый и второй сумматоры, блок коррекции, блок расчета корректирующих коэффициентов пути и угла, блок перемножения, приемник спутниковой навигационной системы (СНС), пульт управления, дисплей, причем, выходы блока датчиков магнитного поля и блока датчиков линейного ускорения соединены, соответственно, с первым и вторым входами блока преобразования показаний датчиков, выход блока расчета горизонтальных проекций МПЗ соединен с первым входом блока расчета угла, второй вход которого соединен со вторым выходом блока расчета корректирующих коэффициентов пути и угла, первый выход которого соединен с первым входом блока перемножения, выход блока расчета угла соединен с первым входом блока управления, первый выход которого соединен со вторым входом блока расчета горизонтальных проекций МПЗ, второй выход блока управления соединен со вторым входом блока коррекции, первый вход которого соединен с выходом приемника СНС, второй выход блока коррекции соединен со вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с третьим входом блока коррекции, первый выход которого через первый сумматор соединен со вторым входом блока управления, третий вход которого соединен с выходом пульта управления, а третий выход - с входом дисплея, отличающееся тем, что введены третий сумматор, блок анализа фазовых интервалов и фронтов сигналов, блок фильтрации, блок коррекции неортогональности расположения датчиков, блок хранения коэффициентов лабораторной настройки и блок хранения исходных значений координат, при этом, первый выход блока хранения коэффициентов лабораторной настройки соединен с третьим входом блока преобразования показаний датчиков, выполненного с возможностью коррекции показаний датчиков, выход которого через блок фильтрации соединен с первым входом блока коррекции неортогональности расположения датчиков, второй вход которого соединен со вторым выходом блока хранения коэффициентов лабораторной настройки, а выход блока коррекции неортогональности расположения датчиков соединен с первым входом блока расчета горизонтальных проекций МПЗ; выход датчика перемещения через блок анализа фазовых интервалов и фронтов сигналов соединен со вторым входом блока перемножения, выход которого соединен со вторым входом блока расчета приращений координат, выход которого соединен с первым входом второго сумматора и первым входом третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом блока расчета корректирующих коэффициентов пути и угла; выход блока хранения исходных значений координат соединен со вторыми входами первого и третьего сумматоров, с третьим входом второго сумматора и четвертым входом блока расчета корректирующих коэффициентов пути и угла, третий вход которого соединен с выходом приемника СНС, четвертый выход блока управления соединен с третьим входом блока расчета приращений координат, выполненного с возможностью расчета приращения координат за единицу приращения пути, пятый выход блока управления соединен с входом блока хранения исходных значений координат [RU 89692, U1, G01C 21/08, 10.12.2009].
Недостатком устройства является его относительно высокая сложность.
Наиболее близкой по технической сущности к предложено полезной модели является система, содержащая блок выработки навигационных параметров, центральный прибор с тремя акселерометрами и с тремя датчиками абсолютной угловой скорости, блок вычисления погрешностей и шесть вычитающих устройств, при этом, выход первого акселерометра соединен с первым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом первого вычитающего устройства, выход второго акселерометра соединен с вторым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом второго вычитающего устройства, выход третьего акселерометра соединен с третьим входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом третьего вычитающего устройства, выход первого датчика абсолютной угловой скорости соединен с четвертым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом четвертого вычитающего устройства, выход второго датчика абсолютной угловой скорости соединен с пятым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом пятого вычитающего устройства, выход третьего датчика абсолютной угловой скорости соединен с шестым входом блока вычисления погрешностей и также с первым входом шестого вычитающего устройства, первый выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом первого вычитающего устройства, второй выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом второго вычитающего устройства, третий выход блока вычисления погрешностей соединен со вторым входом третьего вычитающего устройства, четвертый выход блока вычисления погрешностей соединен со вторым входом четвертого вычитающего устройства, пятый выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом пятого вычитающего устройства, шестой выход блока вычисления погрешностей соединен с вторым входом шестого вычитающего устройства, выход первого вычитающего устройства соединен с первым входом блока выработки навигационных параметров, выход второго вычитающего устройства соединен с вторым входом блока выработки навигационных параметров, выход третьего вычитающего устройства соединен с третьим входом блока выработки навигационных параметров, выход четвертого вычитающего устройства соединен с четвертым входом блока выработки навигационных параметров, выход пятого вычитающего устройства соединен с пятым входом блока выработки навигационных параметров, выход шестого вычитающего устройства соединен с шестым входом блока выработки навигационных параметров [RU 2337316, С1, G01C 21/16, 27.10.2008].
Недостатком устройства является его относительно низкая точность.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в датчик первичной инерциальной информации, содержащий первый, второй и третий акселерометры, введены трехосный лазерный гироскоп, плата усилителей, входы которой соединены с выходами первого, второго и третьего акселерометров, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом платы усилителей, плата счетчиков, первый вход-выход которой соединен с входом-выходом трехосного лазерного гироскопа, одноплатный компьютер, первый вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом платы счетчиков, и модуль связи, выход которого является выходом лазерного инерциального измерительного блока, а вход-выход - соединен с первым входом-выходом общей шины, второй, третий и четвертый входы-выходы которой соединены с входом-выходом аналого-цифрового преобразователя, со вторым входом-выходом одноплатного компьютера и третьим входом-выходом платы счетчиков, соответственно.
На чертеже представлена функциональная схема датчика первичной инерциальной информации.
Датчик первичной инерциальной информации содержит первый 1-1, второй 1-2 и третий 1-3 акселерометры, трехосный лазерный гироскоп 2 и плата 3 усилителей, входы которой соединены с выходами первого 1-1, второго 1-2 и третьего 1-3 акселерометров.
Кроме того, датчик первичной инерциальной информации содержит аналого-цифровой преобразователь 4, вход которого соединен с выходом платы 3 усилителей, плата 5 счетчиков, первый вход-выход которой соединен с входом-выходом трехосного лазерного гироскопа 2, одноплатный компьютер 6, первый вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом платы 5 счетчиков, и модуль 7 связи, выход которого является выходом лазерного инерциального измерительного блока, а вход-выход - соединен с первым входом-выходом общей шины 8, второй, третий и четвертый входы-выходы которой соединены с входом-выходом аналого-цифрового преобразователя 4, со вторым входом-выходом одноплатного компьютера 6 и третьим входом-выходом платы 5 счетчиков, соответственно. Общая шина 8 в частном случае для удобства монтажа и разводки сигналов может быть выполнена в виде восьмиразрадной и шестнадцатиразрядной шин.
Работает датчик первичной инерциальной информации следующим образом.
Датчик первичной инерциальной информации используется в качестве датчика первичной информации в составе бесплатформенной инерциальной системы основного изделия для определения и выдачи в его систему управления:
- трех проекций кажущегося ускорения на оси связанной с блоком чувствительных элементов изделия системы координат (СВСК);
- трех проекций приращений углов на оси СВСК;
- матриц направляющих косинусов осей чувствительности лазерного гироскопа (ЛГ) и акселерометров относительно СВСК.
Принцип действия изделия основан на измерении параметров движения объекта с помощью трехосного лазерного гироскопа 2 и первого 1-1, второго 1-2 и третьего 1-3 акселерометров (маятниковых акселерометров), взаимодействия этих устройств, обработке и выдаче результатов через модуль 7 связи.
Датчиком угловых скоростей является трехосный лазерный гироскоп 2, созданный на основе кольцевых газовых лазеров. При вращении кольцевого лазера вокруг оси, перпендикулярной плоскости резонатора (оси чувствительности), частоты встречных волн расщепляются. Величина расщепления или разности частот пропорциональна угловой скорости вращения. Коэффициент пропорциональности между угловой скоростью вращения и разностью частот встречных волн называется масштабным коэффициентом.
Разность частот встречных волн преобразуется в последовательность стандартных импульсов, являющихся выходными сигналами трехосного лазерного гироскопа 2. Разность частот следования импульсов с учетом знака по двум каналам пропорциональна скорости и направлению вращения трехосного лазерного гироскопа 2, и, следовательно, всего изделия, на котором он установлен. Дальнейшая обработка выходной информации трехосного лазерного гироскопа 2 производится в системе управления, где вычисляются угловые координаты или углы поворота изделия.
Принцип действия первого 1-1, второго 1-2 и третьего 1-3 акселерометров, являющихся датчиками линейных ускорений, основан на явлении отклонения маятника от положения равновесия под действием ускорения изделия, на котором они размещены. Величина отклонения преобразуется в электрический выходной сигнал, который затем усиливается в плате 3 усилителей, преобразуется в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем 4 и преобразуется в вектор приращения кажущейся скорости изделия относительно осей координат в одноплатном компьютере 6.
Датчиком угловых скоростей, как указывалось выше, является трехосный лазерный гироскоп 2, выполненный, например, с магнитооптической частотной подставкой, работающий в квазичетырехчастотном режиме. Его основу составляют три чувствительных элемента, реагирующие на повороты изделия в инерциальном пространстве относительно трех взаимоперпендикулярных осей X, Y, Z.
Трехосный лазерный гироскоп 2 работает в квазичетырехчастотном режиме с периодическим переключением направления вращения круговой поляризации рабочей моды генерации лазера. Благодаря этому он нечувствителен к внутренним и внешним магнитным полям.
Первый 1-1, второй 1-2 и третий 1-3 акселерометры, являющиеся датчиками линейных ускорений, имеют чувствительные элементы из монокристаллического кремния, встроенные усилители обратной связи и термодатчики. Оси чувствительности акселерометров взаимно перпендикулярны и совпадают по направлениям с одноименными осями изделия. Выходной сигнал акселерометра - постоянный ток, который вызывает падение напряжения на прецизионном резисторе, включаемом в цепь датчика момента. Благодаря такому устройству обеспечивается линейность выходной характеристики, а также стабильность смещения нуля выходного сигнала акселерометра. Напряжение с резистора поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4 и обрабатывается вычислителем одноплатным компьютером 6. Номинал резистора рассчитан так, чтобы на входе АЦП 4 обеспечивался сигнал с амплитудой по модулю не более 10 В. Для подавления высокочастотных шумов акселерометров перед усилителями, выполненными в виде усилителей-повторителей установлены пассивные фильтры нижних частот первого порядка.
Основным лазерного инерциального измерительного блока является одноплатный компьютер 6. Он включает через плату 5 счетчиков трехосный лазерный гироскоп 2, управляет режимом его работы, осуществляет чтение счетчиков в плате 5 счетчиков, в которые заносится информации из трехосного лазерного гироскопа 2, принимает и обрабатывает результаты измерения первым 1-1, вторым 1-2 и третьим 1-3 акселерометров, рассчитывает функции температурной коррекции показаний трехосного лазерного гироскопа 2 (на основании его датчиков температуры) и первого 1-1, второго 1-2 и третьего 1-3 акселерометров и передает их через модуль связи 7 в основное изделие. Основные соотношения, которые используются одноплатным компьютером для обеспечения работы устройства представлены ниже.
На плате счетчиков находятся трехканальные счетчики, на входы которых поступают информационные импульсы от трехосного лазерного гироскопа 2, коммутационные элементы для включения и выключения гироскопа, формирователь синхроимпульсов частотой 512 кГц для трехосного лазерного гироскопа 2 и импульсов частотой 200 Гц для синхронизации чтения информации от основного изделия.
При определении вектора кажущихся ускорений полученный вектор измеренных ускорений умножается на матрицу направляющих косинусов осей чувствительности акселерометров относительно осей СВСК. Расчет углов наклона производится по показаниям акселерометров, работающих по осям Х и Z.
Для обеспечения минимального дрейфа используется метод разделения составляющих дрейфа на магнитную и немагнитную составляющие - режим реверса мод. Для этого реализуется управление знаком рабочей моды генерации лазерного гироскопа (ЛГ). Первую минуту ЛГ работает на положительной моде, вторую - на отрицательной. Поскольку немагнитная составляющая дрейфа на обеих модах одинакова, а магнитная противоположна по знаку, их легко вычислить. Так как во время работы основной вклад в дрейф вносит именно магнитная составляющая, то ее учет позволяет достичь требуемой точности. В режиме реверса мод точность прибора улучшается, по меньшей мере, в 5 раз. Применение алгоритмической коррекции дрейфа и начальной калибровки позволяют получать точности гироскопа порядка 0,05 '/ мин.
Режим реверса мод характеризуется последовательной работой прибора на двух модах с противоположными направлениями поляризации излучения. Такой режим позволяет существенно снизить компоненту дрейфа нуля гироскопа, связанную с магнитной чувствительностью.
Дрейф нуля 
ДР лазерного гироскопа можно разделить на две составляющие магнитную М и немагнитную НМ:
Немагнитная составляющая связана с взаимодействием лазерного излучения со средой. Эта составляющая характеризуется хорошей воспроизводимостью, хорошо поддается калибровке и коррекции.
К магнитной составляющей дрейфа нуля относится чувствительность к внешним и внутренним магнитным полям, а также целый класс ошибок, связанных с нестабильностью параметров электроники, называемых динамическим дрейфом. Эта составляющая, по сравнению с немагнитной, обладает гораздо худшей воспроизводимостью и стабильностью в запуске.
В режиме реверса мод при работе прибора на одной моде магнитная составляющая дрейфа нуля вносит свой вклад с одним знаком, при работе прибора на другой моде - с противоположным знаком:
За период реверса магнитная составляющая полностью компенсируется, что и дает существенное улучшение точности. Как показали испытания, оптимальный такт переключения мод составляет 60 секунд. Внутри периода реверса мод, величина дрейфа нуля (с учетом калибровки) будет на уровне 0,05°/час. Отклонение по углам ориентации основного изделия внутри периода реверса составит не более 20". Для получения наилучших характеристик период переключения можно задавать в зависимости от конкретного задания основного изделия.
При переключениях с моды на моду, информация на выходе гироскопа пропадает на время переключения. На время пропадания информации используется ее экстраполированные значения.
Режим реверса мод наиболее эффективен, когда основное изделие покоится или двигается без больших угловых ускорений (не более 1,85°/с2 ).
Рассмотрим возможность обеспечения относительного отклонения масштабного коэффициента ЛГ не более 5·10 -5 отн. ед.
Поскольку относительное отклонение масштабного коэффициента ЛГ определяется прежде всего величинами статического захвата L и амплитуды частотной подставки А.
Предельная величина относительного отклонения масштабного коэффициента определяется формулой
то проведенные доработки позволят гарантировать относительное отклонение масштабного коэффициента не более 3·10 -5 отн. ед.
Суммарная ошибка нуля канала линейных ускорений 
а определяется соотношением:
где аа - постоянная составляющая смещения нуля акселерометров, шумовой составляющей смещения нуля собственно акселерометров,
а - шумовая составляющая смещения нуля акселерометров,
- нижняя частота спектра шумов акселерометра,
- постоянная времени фильтра нижних частот,
аус - смешение нуля усилителя,
аАЦП - смещение нуля АЦП,
АЦП - шумовая составляющая смешения нуля АЦП.
Вторым источником ошибок является нелинейность и невоспроизводимость масштабного коэффициента акселерометра ka. Поскольку фильтр и усилитель не содержат нелинейных элементов и не вносят погрешностей в масштабный коэффициент, ka можно выразить формулой:
где kaa - относительная погрешность собственно акселерометра,
kАЦП - относительная погрешность АЦП.
Третьим источником ошибок при измерении ускорений является нестабильность матрицы ориентации измерительных осей акселерометров относительно приборной системы координат. Неточность определения осей приводит к ошибке измерения ускорения а, которая может быть определена по формуле:
где 
- угол между измерительной осью акселерометра и направлением ускорения а.
Очевидно, что ошибка максимальна при =±90°. Поскольку минимальное ускорение в условиях Земли равно lg, а максимальное ускорение (согласно ТЗ) ±35g, то величина а обеспечивается в пределах от 8,3·10-5 до 2,9·10-3 g.
Таким образом, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств, в частности, трехосного лазерного гироскопа, платы усилителей, входы которой соединены с выходами первого, второго и третьего акселерометров, аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом платы усилителей, платы счетчиков, первый вход-выход которой соединен с входом-выходом трехосного лазерного гироскопа, одноплатного компьютера, первый вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом платы счетчиков, и модуля связи, выход которого является выходом лазерного инерциального измерительного блока, а вход-выход - соединен с первым входом-выходом общей шины, второй, третий и четвертый входы-выходы которой соединены с входом-выходом аналого-цифрового преобразователя, со вторым входом-выходом одноплатного компьютера и третьим входом-выходом платы счетчиков, соответственно, повышается точность устройства, поскольку, в частности, формирование его выходных сигналов производится с одновременным использованием сигнал гироскопа.
Датчик первичной инерциальной информации, содержащий первый, второй и третий акселерометры, отличающийся тем, что введены трехосный лазерный гироскоп, плата усилителей, входы которой соединены с выходами первого, второго и третьего акселерометров, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом платы усилителей, плата счетчиков, первый вход-выход которой соединен с входом-выходом трехосного лазерного гироскопа, одноплатный компьютер, первый вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом платы счетчиков, и модуль связи, выход которого является выходом лазерного инерциального измерительного блока, а вход-выход соединен с первым входом-выходом общей шины, второй, третий и четвертый входы-выходы которой соединены с входом-выходом аналого-цифрового преобразователя, со вторым входом-выходом одноплатного компьютера и третьим входом-выходом платы счетчиков соответственно.
