Метод калибровки блока маятниковых поплавковых акселерометров корабельной инерциальной навигационной системы

Необходимым этапом подготовки инерциальной навигационной системы (ИНС) к работе является калибровка входящего в ее состав трехосного блока акселерометров (БА), под которой понимают определение параметров математической модели (модели показаний БА) — смещений нуля, масштабных коэффициентов, углов неортогональности измерительных осей акселерометров и т. д., а также угловая привязка показаний Б, А к отсчетной системе координат (СК) гироприбора ИНС — определение углов рассогласования отсчетных СК блока акселерометров и гироприбора.

Калибровка БА, используемых в корабельных ИНС, производится при задании разворотов Б, А в поле силы тяжести на поворотных устройствах (ПУ). При этом для малогабаритных бескарданных ИНС (БИНС) она выполняется в составе гироприбора (инерциального блока), а для карданных корабельных ИНС, обладающих значительными массой и габаритами — автономно, до установки БА в гироприбор ИНС.

Методам стендовой калибровки БА на поворотных устройствах в отечественной и зарубежной литературе посвящен целый ряд публикаций, среди которых можно выделить работы коллективов авторов из МИЭА (Чесноков Г. И. Поликовский Е.Ф. Молчанов А. В. и др.)[6,26,39,65], МГТУ им. Н. Э. Баумана (Коновалов С.Ф. и др.)[32,34], ФГУП ПО «Корпус» (Калихман Д.М. и др.)[13,30], МГУ имени М. В. Ломоносова (Бобрик Г. И., Матасов А. И. и др.)[12,22], университета Карлсруэ (Krohn A., Beigl М. и др.)[75]. Метод калибровки одноосных акселерометров с использованием ПУ на международном уровне регламентируется стандартом IEEE Std 1293−1998 [68], однако для калибровки БА регламентированные методы отсутствуют.

Все представленные в публикациях методы калибровки на поворотных устройствах используют развороты БА в поле силы тяжести на углы в диапазоне ±90° относительно горизонта, т. е. при воздействии ускорений в диапазоне ±lg. Между тем особенностью рассматриваемых в диссертации поплавковых маятниковых акселерометров является изменение их характеристик (параметров) в зависимости от углового положения «поплавка» относительно направления действующего ускорения вследствие изгибов торсионного подвеса под действием веса маятника или при наличии остаточной ненулевой плавучести «поплавка» [16,68]. Это приводит к неадекватности используемой при калибровке модели показаний БА с постоянными коэффициентами и, следовательно, к дополнительным погрешностям калибровки. Для морских объектов, диапазон инерционных ускорений которых мал, а диапазон угловых движений ограничен ±45°, влияние данных погрешностей можно существенно уменьшить, если проводить калибровку БА в ограниченном диапазоне углов наклона, соответствующем рабочему диапазону входных ускорений. Однако в известной литературе постановка задачи калибровки акселерометров при ограничении углов разворота не встречается, соответственно отсутствуют и методы калибровки при данных ограничениях.

Большое время непрерывной работы и относительно большие габариты, характерные для корабельных карданных ИНС, обуславливают необходимость обеспечения замены БА в случае его отказа в процессе эксплуатации. Данное требование существенно отличает корабельные ИНС от БИНС, где в случае отказа акселерометров заменяется целиком гироприбор. Очевидно, что при установке БА на корпусе гироприбора его замена на подвижном объекте должна производиться без дополнительных регулировок в составе ИНС, т. е. без переопределения параметров угловой привязки показаний БА к отсчетной СК ИНС, которое требует выполнения наклонов гироприбора. Однако в известной литературе данный вопрос подробно не рассматривается.

Целью работы является разработка и исследование метода стендовой калибровки трехосного блока маятниковых поплавковых акселерометров в ограниченном диапазоне изменения углов наклона, соответствующем условиям работы блока акселерометров в корабельных карданных ИНС при его установке на корпусе гироприбора (по схеме БИНС).

Непосредственными задачами исследования являются:

• обоснование модели показаний БА и требований к точности калибровки её параметров для условий корабельной ИНС при установке БА на корпусе гироприбора;

• разработка и исследование метода стендовой калибровки БА в условиях ограниченного диапазона углов разворота в поле силы тяжести;

• анализ погрешностей методики выполнения измерений;

• анализ методов угловой привязки показаний БА к отсчетной системе координат гироприбора ИНС, обеспечивающих взаимозаменяемость БА в составе корабельной ИНС;

• экспериментальная проверка эффективности разработанного метода калибровки блока акселерометров.

Методы исследования.

Решение поставленных задач основано на использовании основных положений теории инерциальной навигации, оптимальной фильтрации и компьютерного моделирования. Корректность разработанного метода калибровки проверялась как численным моделированием, так и экспериментально. Методика экспериментальной проверки включала контроль сходимости процедуры оценивания искомых параметров по величине невязки, а также контроль повторяемости результатов калибровки при переустановках БА на стенде и контроль повторяемости оценок погрешностей установки БА при калибровке разных образцов БА.

Новые научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод стендовой калибровки Б, А на одноосном поворотном устройстве, предусматривающий определение параметров модели показаний при наклонах БА в ограниченном диапазоне, соответствующем рабочему диапазону измеряемых ускорений в корабельной ИНС.

2. Итеративный алгоритм оценивания параметров модели показаний БА по избыточному количеству измерений, обеспечивающий калибровку при большой начальной неопределенности в знании параметров модели и погрешностей установки блока на стенде.

3. Формализация метода угловой привязки блоков акселерометров к отсчетной системе координат гироприбора ИНС, обеспечивающего взаимозаменяемость БА в корабельных карданных ИНС за счет угловой привязки БА к единой отсчетной системе координат при стендовой калибровке БА.

Практическая значимость работы.

1. Разработанный метод калибровки обеспечивает повышение точности измерения ускорения блоком маятниковых поплавковых акселерометров при работе в составе корабельной ИНС за счет адекватности условий калибровки условиям эксплуатации.

2. Предложенный метод калибровки обеспечивает взаимозаменяемость БА в ИНС и позволяет снять ограничения на величину углов привязки измерительных осей блока к отсчетной СК стенда и тем самым снизить трудоемкость его изготовления.

3. Разработанный стенд (комплект аппаратуры), реализующий предложенный метод калибровки БА, обеспечивает автоматизированное выполнение измерений и обработку результатов при минимальном участии оператора. Экспериментальный образец стенда изготовлен и находится в стадии опытной эксплуатации при производстве блоков ИУТ ДНИЯ.469 158.007 в ЦНИИ «Электроприбор».

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации были доложены на VII — IX конференциях молодых ученых «Навигация и управления движением» (г.Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007), школе-семинаре «Навигация и управления движением» (г. Санкт-Петербург, 2008), VI Российской научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» (г. Санкт-Петербург, 2007), а также на 13-й Международной научной конференции «Системный анализ, управление и навигация» (г. Евпатория, 2008, грант РФФИ № 08−08−8 141-з).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей и докладов.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы по главам диссертации распределено следующим образом:

4.4. Выводы по главе 4.

1. По результатам экспериментального исследования комплекта аппаратуры определены факторы, влияющие на точность калибровкипогрешность аттестации угла ЬК, температурная и временная нестабильность акселерометров, стабильность конструкции стенда и крепления БА на кронштейне. Предложены меры по снижению влияния этих погрешностей и подтверждена возможность достижения расчетной точности задания.

5 2 эталонного значения ускорения на уровне ±4,3 • 10 м/с (0,9″).

2. По результатам экспериментальных исследований определен интервал осреднения данных на каждом фиксированном наклоне (200 сек) и допустимая длительность калибровки (5−8 часов).

3. Эффективность разработанного метода калибровки БА подтверждена следующими результатами экспериментальных исследований, проведенных на шести образцах БА:

— невязки измерения не превышают Зч-4″ ,.

— повторяемость результатов калибровки находится на уровне пусковых погрешностей БА и эквивалентна погрешностям измерения ускорения в рабочем диапазоне на уровне 1-т-2″ ,.

— повторяемость оценок погрешностей установки, определенных при калибровке разных БА, находится на уровне однозначности установки, обеспечиваемом конструкцией крепления БА.

4. Экспериментальная проверка взаимозаменяемости БА в ИНС показала, что определение и учет углов привязки БА к единой отсчетной СК стенда обеспечивает сохранение угловой привязки БА к отсчетной СК гироприбора ИНС при замене Б, А с точностью 1-^2 «.

Заключение

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Формализован метод угловой привязки блоков акселерометров к отсчетной системе координат гироприбора ИНС, обеспечивающий взаимозаменяемость БА в корабельных карданных ИНС за счет угловой привязки БА к единой отсчетной системе координат стенда в процессе стендовой калибровки. Обоснована целесообразность разделения в процессе стендовой калибровки БА процедур ортогонализации БА и его угловой привязки к единой СК стенда, позволяющая снять ограничения на величину углов привязки и тем самым снизить трудоемкость изготовления БА.

2. Обоснован состав параметров модели показаний Б А, обеспечивающий корректное описание его выходных сигналов при работе в составе прецизионных корабельных ИНС с установкой БА на корпусе гироприбора — по схеме БИНС, и требования к точности их калибровки.

3. Сделан обзор существующих методов калибровки Б, А на поворотных устройствах, который показал, что все методы используют измерения показаний БА полученные на фиксированных углах разворота в диапазоне углов ±90° относительно горизонта, т. е. при существенном изменении ориентации поплавка относительно вектора силы тяжести, приводящем к изменению параметров модели показаний блока маятниковых поплавковых акселерометров.

4. Разработан метод стендовой калибровки блока акселерометров корабельной ИНС на одноосном поворотном устройстве, обеспечивающий адекватность условий калибровки условиям эксплуатации. Обоснована необходимость аттестации предлагаемого стенда для калибровки БА по одному параметру — горизонтальной проекции угла между поверхностями, на которые устанавливается БА.

5. Разработан итеративный алгоритм оценивания параметров модели показаний БА по избыточному количеству измерений, обеспечивающий калибровку и угловую привязку БА к единой отсчетной СК стенда при большой начальной неопределенности в знании параметров модели и погрешностей установки блока акселерометров на стенде.

6. По результатам математического моделирования метода калибровки подтверждена возможность оценивания с требуемой точностью параметров модели БА в диапазоне углов разворота БА (0°±45° и 180°±45°), при которых обеспечивается рабочее положение торсионов акселерометров, выбраны шаг съема данных по углу (15°) и количество итераций (5).

7. Анализ основных источников погрешностей предложенного метода калибровки БА и экспериментальное исследование инструментальных погрешностей разработанного комплекта аппаратуры, показали, что точность.

5 2 задания эталонного ускорения на стенде составляет ±4,3−10 м/с (0,9″).

8. По результатам экспериментальных работ на шести серийно выпускаемых БА подтверждена эффективность разработанного метода калибровки БА, включая обеспечение взаимозаменяемости БА в ИНС. Разработанный экспериментальный образец стенда для калибровки БА изготовлен и находится в стадии опытной эксплуатации при производстве блоков ИУТ ДНИЯ.469 158.007 в ЦНИИ «Электроприбор».