Бесплатформенная инерциальная навигационная система на гибридном гироскопе
Бесплатформенные инерциальные навигационные системы на волоконно-оптических гироскопах (ВОГ) построены на использовании эффекта Саньяка, обладают рядом преимуществ по сравнению с системами на динамически настраиваемых гироскопах особенно, превосходя их по надежности, точности и потребляемой мощности. На Рис.2 показана схема построения волоконно-оптического гироскопа. Световой поток от источника света через разветвитель подается на интегрально-оптический фазовый модулятор. После разделения его на два потока подается в волоконно-оптический контур навстречу друг-другу. В зависимости от разности фаз световых потоков, которая определяется угловой скоростью вращения волоконного контура, меняется интенсивность объединенного светового потока, что и является данными о скорости вращения. В последнее время технологии производства систем на ВОГах бурно развиваются и уже достигнуты результаты с показателями случайного дрейфа угловой скорости менее 0,01 градуса/час. Точность навигационных систем определяется как минимальная разность фаз противонаправленных световых потоков в оптическом контуре, которую можно, на основе эффекта Саньяка, измерить в зависимости от интенсивности света на интерференционной картине и может быть рассчитана по формуле:
Где:
- длинна волны светового потока;
с - скорость света
d - диаметр волоконного контура;
l - длинна оптоволокна в волоконном контуре
- угловая скорость.
Таким образом, разность фаз противонаправленных световых потоков является одним из полезных сигналов определяющим местоположение гироскопа в пространстве. Поскольку ВОГ обладает высокой чувствительностью, он наряду с полезным сигналом улавливает также разность фаз световых волн, вызванную другими факторами, например, такими как механическая деформация волоконно-оптического контура или чувствительного волокна. Разделить эти сигналы невозможно и в период действия ударов на навигационную систему накапливается ошибка, которая порой сводит на нет высокую точность ВОГа. В большинстве случаев проблема решается за счет введения систем амортизации волоконно-оптического контура, однако, с одной стороны это лишает ВОГи такого преимущества как его твердотельность. Также введение амортизации приводит к появлению новых резонансов на частоте резонанса амортизаторов. Этого недостатка лишены датчики угловых скоростей на микромеханике (микромеханические гироскопы). Их параметры менее точны (30-100 градусов/час), но они обладают большей устойчивостью в широком диапазоне частот к ударным механическим воздействиям. Стоимость их невелика, габариты и потребляемая мощность малы. (Например, микромеханические датчики фирмы Analog devices) Использую эти преимущества, с одной стороны высокую точность работы ВОГов в нормальных условиях эксплуатации, и высокую устойчивость к перегрузкам микромеханических датчиков угловых скоростей создана навигационная система на гибридном гироскопе, с разделением периода измерений параметров по временному интервалу. При эксплуатации в нормальных условиях этот прибор работает как система на ВОГах, а в период краткосрочного ударного механического воздействия как система на микромеханике. Поскольку время действия механического удара невелико и не превышает 30 миллисекунд, значительного ухода параметров навигационной системы в связи с переключением на менее точные микромеханические датчики не происходит. По окончании действия механического удара происходит обратное переключение, и прибор вновь начинает работать как ВОГ. Данное техническое решение по вводу даполнительных датчиков угловой скорости на микромеханике может быть использовано, как в одноосных, так и многоосных гироскопах и позволяет решить проблему устойчивости работы бесплатформенных инерциальных навигационных систем в условиях повышенных (до 159 g. и выше) ударных механических воздействий с заданной точностью. Может применяться в сочетании не только с ВОГами, но и с кольцевыми лазерными гироскопами, динамически настраиваемыми гироскопами, и твердотельными гироскопами на эффекте стоячей волны.
Бесплатформенная инерциальная навигационная система на гибридном гироскопе состоит из блока чувствительных элементов волоконно-оптического гироскопа, микромеханических датчиков угловых скорости, устройства переключения и обработки данных, акселерометров. Структурная схема представлена на Рис 1. Может иметь - одно, и многоосевую конструкцию.
В нормальных условиях эксплуатации производится определение ориентации бесплатформенной интегральной навигационной системы на гибридном гироскопе и хранение данных с помощью блока волоконно-оптических элементов, который имеет низкий случайный дрейф угловой скорости, например, до 0,01 градуса/час и акселерометров. Это позволяет в устройстве обработки вычислять навигационные данные и выдавать их потребителю с высокой точностью, которая определяется точностью волоконно-оптического контура. В этот момент времени гибридный гироскоп Рис 1. работает как волоконно-оптический гироскоп, состоящий из блока чувствительных элементов на волоконно-оптических контурах, и схемы обработки данных. В навигационной системе задействованы блоки 1, 3, 4 показанные на Рис 1. В случае возникновения ударного механического воздействия на гибридный гироскоп в чувствительном оптическом контуре возникает деформация оптического волокна, что приводит к фазовому сдвигу в оптическом сигнале и, в конечном счете, накоплению ошибки в выдаваемых навигационных данных. Для снижения влияния механической деформации в момент ударного воздействия по сигналу от какого-либо источника (внешнее устройство), по уровню сигнала от акселерометра и/или оптического контура происходит отключение блока волоконно-оптических чувствительных элементов и подается сигнал для обработки данных на короткий промежуток от микромеханических датчиков угловых скоростей.В это период гибридный гироскоп представляет собой гироскоп на микромеханических датчиках (микромеханический гироскоп). Задействованы блоки 2, 3 ,4 см. Рис 1. Эти датчики имеют большую устойчивость к внешним механическим воздействиям большого уровня (до 150 g и выше), но меньшую точность выдаваемых параметров угловой скорости (случайный дрейф угловой скорости 40-100 градусов/час). Расположены они в той же плоскости, что и оптические контуры волоконно-оптического гироскопа, либо под определенным углом к плоскости волоконно-оптических контуров с учетом их ориентации в расчетах, и поэтому выдают те же параметры угловых скоростей, но с меньшей точностью. Поскольку подключение микромеханических датчиков происходит на короткий промежуток времени (например, до 30 миллисекунд) существенного влияния на накопленную ошибку расчета параметров ориентации это переключение не оказывает. По завершению механического ударного воздействия происходит обратное переключение, и гибридный гироскоп работает как волоконно-оптический гироскоп. Таким образом, техническое решение построения гибридного гироскопа позволяет решить проблему устойчивости работы высокоточных бесплатформенных инерциальных навигационных приборов в условиях ударных механических нагрузок большой величины.
Бесплатформенная инерциальная навигационная система на гибридном гироскопе, состоящая из блока чувствительных элементов на волоконно-оптическом контуре, акселерометра, микромеханического датчика угловой скорости, устройства переключения и обработки данных, работающая в различных режимах по точности и устойчивости в зависимости от условий эксплуатации по уровню механических воздействий внешней среды.
