Актуальность: Возрастающая с каждым днем потребность промышленности в развитии высокоточных, надежных и долговечных навигационных комплексов подвижных объектов различного назначения приводит к необходимости создания сложных современных гироскопических приборов, часто с уникальными технологическими и эксплуатационными характеристиками [3,5,12]. Проектирование и изготовление этих комплексов в настоящее время невозможно без предварительного этапа математического моделирования процессов взаимодействия [21,24,34] самих таких прецизионных устройств с имитацией реальных условий их эксплуатации и, особенно, температурных возмущений [22,23,26,27].
Перспективные системы управления движением и навигации космических летательных аппаратов (KJIA) [3,38] ориентированы на решение достаточно широкого круга задач и должны сопровождаться улучшением таких показателей, как точность, автономность, универсальность, уменьшением энергопотребления и массогабаритных характеристик. При этом современные достижения в области разработки и производства бортовых вычислительных комплексов [63,64] позволяют переходить к использованию относительно конструктивно более простых бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [45,50,51,54,57]. С другой стороны, это обусловлено тем, что возможности фундаментального совершенствования платформенных инерциальных навигационных систем с кардановыми подвесами (ИНС) [2,6,43,55] в значительной степени исчерпаны.
Действительно, основным преимуществом БИНС [56,59,60,62,72] по сравнению с ИНС являются снижение стоимости и энергопотребления, увеличение в несколько раз информативности ресурса и надежности и, как следствие, уменьшение эксплуатационных расходов. Это достигается за счет исключения из состава ИНС сложных и дорогостоящих подсистем, в первую очередь, таких как карданов подвес, в состав которого входят следящие системы, прецизионные датчики угластабилизирующие двигатели и т. п.
Другим очень важным преимуществом БИНС является информационная избыточность [21] за счет наличия в системе данных об угловых скоростях и линейных ускорениях в связанных осях. Особенно ярко эти преимущества проявляются в тех случаях, когда в качестве гироскопических датчиков инерци-альной информации используются волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) [49,52,58] вообще лишенные механических подвижных элементов.
Так, например, фирмой Litton (США) разработана БИНС И-го поколения LN-100 с использованием волоконно-оптических гироскопов и микромеханических кремниевых акселерометров. Такая БИНС характеризуется суммарной погрешностью на уровне 0,01 град/ч.
Среди современных разработок можно указать разработки фирмы Litef э.
GmbH (Германия) БИНС с объемом 1,64 дм и менее 3,2 кГ. Это дочерняя Litton фирма ведет разработку интегрированной с GPS БИНС LCR-94, использующей курсовертикаль на ВОГ собственной разработки (погрешность около 0,1 град/ч.) с перспективой использования микромеханических акселерометров. Среди отечественных следует отметить разработки ООО Hi 111 «Антарес», КБ «Корпус» г. Саратов и ОАО «Пермская научно-производственная компания», ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». Например, в ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор» создана относительно недорогая и компактная БИНС на ВОГ фирмы «Фи-зоптика» [11] интегрированных со спутниковой навигационной системой (СНС), предназначенных для использования на малых космических аппаратах (МКА), малых судах, например, яхтах.
О разработке собственно ВОГ за рубежом: значительные научные результаты достигнуты исследователями Стэнфордского университета [78], Массачу-сетского технологического института [88] и французской фирмы «Thomson-CSF» .
В Стэнфордском университете и Массачусетском тебхнологическом институте с опережением идет развитие теории, техники измерений и создание волоконно-оптических компонентов.
Hughes Aircraft занята производством интегрально-оптических компонентов и другой волоконно-оптической технологии для ВОГ.
Большой прогресс при создании ВОГ достигнут фирмой МС Donnell-Donglas, которая уже в 1984 г. серийно освоила выпуск ВОГ с цифровым выходом и дрейфом менее 1 град/час в широком температурном диапазоне.
Litton Guidance and Control Division создали лабораторные образцы цель-новолоконных гироскопов для навигационного применения с дрейфом нуля на уровне 0.005гр/час.
Lear Sieglar добилась существенного прогресса в производстве ВОГ за счет применения интегрально-оптических компонентов и волокон с сохранением поляризации.
Существует ряд исследовательских программ с акцентом на практическое применение ВОГ.
Например, программа исследований «FOSS» (Fiber Optic Sensor System) такой лаборатории как Naval Research Lab (ВМС США).
В настоящее время технология производства ВОГ [75,76,80] шагнула из стен исследовательских лабораторий в цеха заводов, но и исследовательские работы по совершенствованию ВОГ [84,85,87] продолжаются во все развивающемся масштабе.
Ускоряется рост производства ВОГ в США по сравнению с механическими и лазерными гироскопами (ЛГ) [47].
Так, одна из последних разработок фирмы «Thomson-CSF» — ВОГ, использующий методы цифровой обработки сигнала, имеющий объем приблизительно 0.1 кубических дециметров, что более чем в 2 раза меньше КЛГ.
Дрейф этого гироскопа, по утверждению Фирмы, не превышает 0.3 град/час при динамическом диапазоне 1000 град/час, что достаточно для большинства прецизионных авиационно-космических и надводно-подводных применений.
Вообще, согласно теоретическим исследованиям специалистов Naval Research Laboratories (США), чувствительность ВОГ составляет 0.0025 град/час для длины волокна 14.3 км и использовании полупроводникового лазера мощностью 2 мВт, излучающего на волне 1.1 мкм) и достигает 0.0007 град/час при увеличении мощности накачки до 14 Вт.
Однако до настоящего времени экспериментальные образцы не позволяли достигнуть столь высоких значений чувствительности. Если в первых экспериментах была получена чувствительность приблизительно 100 град/час, то к настоящему времени в результате большого объема исследований, направленных на повышение чувствительности ВОГ [39,40,41], в лабораторных условиях достигнуты значения (0.01^-0.05) град/час.
Такая высокая точность разрабатываемых ВОГ обусловливает необходимость учета влияния на характеристики приборов таких возмущающих факторов, как температурные воздействия [10,15,17,18,81,89].
Рассмотрим подробнее, как и на какие свойства и характеристики ВОГ влияют эти воздействия и какие существуют пути повышения точности волоконно-оптических гироскопов.
Принцип действия основан на эффекте Саньяка, заключающемся в следующем.
Если в оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то при неподвижном относительно инерциаль-ного пространства контуре фазовые «набеги» обоих лучей, прошедших весь контур, будут одинаковыми.
При вращении контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые «набеги» лучей неодинаковы и разность фаз пропорциональна угловой скорости вращения контура.
При этом в ВОГ существуют особенности, связанные с регистрацией фазы Саньяка [9,77,79,86,90].
Одна из них — свойство взаимности. Фазовая невзаимность в ВОГ определяется дифференциальной разностью фаз встречно бегущих лучей. Любая фазовая невзаимность (разность фаз) для двух направлений дает изменения в показаниях прибора.
Следует отметить, что сам принцип действия волоконно-оптического гироскопа основан на невзаимном свойстве распространения встречных волн во вращающейся системе отсчета.
Поэтому, безусловно, важен для определения точности ВОГ анализ невзаимных эффектов в приборе.
Вообще, абсолютный предел достигаемой в ВОГ точности измерений обусловлен уровнем фотонного (дробового) шума [7,8,44,48,61,80,91].
Однако существуют и другие фундаментальные физические объекты, ограничивающие достижение предельной точности: обратное рассеяние Рэлея, несохранение и колебания поляризации, магнитооптический эффект Фарадея, электрооптический эффект Керра, флуктуации интенсивности и частоты источника излучения, температурные воздействия и т. д.
Как показывает анализ литературы, большинство источников погрешностей ВОГ связаны с волоконной бухтой — неотъемлемой частью всякого ВОГ.
Если проанализировать имеющиеся теоретические и экспериментальные данные, то становится ясным, что наибольший вклад в суммарную погрешность ВОГ вносит так называемое обратное Рэлеевское рассеяние [8,36].
Согласно теоретическим оценкам кратковременный дрейф от обратного Рэлеевского рассеяния может достигать (для ВОГ с длиной волоконного контура 1000 м, длиной излучения 1 мкм) — 340 град/час.
Температурные воздействия «разделяют» примерно первое-второе место среди источников погрешностей ВОГ [19,23,25].
Согласно экспериментальным данным, долговременный дрейф пропорционален производной по времени от разности температур между внутренней и наружной поверхностью цилиндрической волоконной бухты (катушки) и может достигать уровня 300 град/час (при изменении такой разности температур по экспоненциальному закону на 20 °C за 720 с).
Экспериментальные исследования [67] показали, что нагрев катушки на 1 °C приводит к смещению нуля примерно на 4 град/час, что существенно для инерциальной навигации.
Третье-четвертое места в общей погрешности ВОГ «принадлежат» таким источникам, как эффекты Керра и Фарадея.
По экспериментальным данным эти эффекты обуславливают уходы на уровне 10 град/час.
При этом следует отметить важность температурных воздействий (изменений абсолютной температуры и температурных градиентов) сказывается в том, что они влияют как непосредственно на характеристики и свойства ВОГ, так и на проявления отмеченных фундаментальных эффектов (Рэлея, Фарадея, Керра и др.), и уже через них — на точность прибора.
В ряде работ [39,42,61] достаточно подробно проанализированы и рассмотрены возможности компенсации таких источников погрешностей ВОГ, как обратного рассеяния Рэлея, эффектов Керра и Фарадея, нестабильности масштабного коэффициента и т. д.
Вообще говоря, собственно исследованиям температурного дрейфа ВОГ посвящен достаточно ограниченный круг работ, хотя практически в каждом исследовании по волоконно-оптическим гироскопам отмечается существенность влияния температурных воздействий для этого типа датчиков.
Одним из первых теоретических исследований, по-видимому, можно считать работу [77], где рассматривается дрейф волоконного интерферометра Саньяка, обусловленный термически индуцированной невзаимностью в волоконном контуре.
В целом в большинстве своем исследования температурного дрейфа ВОГ носят экспериментальный характер, и основные усилия разработчиков направлены на создание различных устройств и способов по компенсации в ВОГ температурных воздействий.
Не отрицая важности подобных исследований для создания высокоточного прибора инвариантного к окружающим условиям, представляется необходимой более глубокая проработка сущности физических явлений и процессов, возникающих в приборе в реальных условиях.
Особенность задачи исследования характеристик и свойств ВОГ в условиях температурных воздействий в том, что в этом классе приборов имеет место сочетание и взаимовлияние эффектов и процессов различной физической природы: оптических, электромагнитных, тепловых, механических и других.
Как показывает проведенный анализ литературы, характеристика и свойства ВОГ, на который оказывают влияние температурные воздействия (по возрастающей значимости), а также некоторые способы уменьшения такого влияния, можно классифицировать следующим образом.
Изменения длины волны за счет термической нестабильности источника излучения (лазера).
Следует отметить, что шумы, связанные с изменением длины волны незначительны в большинстве систем регистрации фазы (например, у полупроводникового лазера наблюдается термический дрейф длины волны генерируемого излучения около 0.0003 мкм/°С, что составляет примерно 0.05% от номинального значения).
Эффекты фототермоупругости в волоконном контуре.
Потери на микросгибах в волокне, вызванные изменениями температуры.
Эти потери имеют место в том случае, когда волокно находится под механическим напряжением, и могут составлять величину более 10 дБ/км. Способ уменьшения таких потерь — согласование температурных коэффициентов расширения волокна и катушки. Возможны и потери мощности передаваемого оптического сигнала на изгибах волокна за счет того, что от температуры зависят показатели преломления оболочки и сердечника волокна. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, влияние температуры на потери мощности сигнала в волокне велико в случае кварц-полимерного световода.
Значительно уменьшить этот эффект можно, если использовать кварцкварцевое волокно.
Градиенты температуры, приводящие к разъюстировке оптических элементов ВОГ.
Так как одномодовое волокно (в основном применяющееся в приборах) имеет диаметр сердечника порядка (З-f-lO) мкм, то даже малое смещение световода относительно оптических элементов (ответвителей, соединителей, излучателей, приемников) вызовет потери мощности и, следовательно, невзаимный набег фазы из-за эффекта Керра. Здесь [61] большие надежды возлагаются на интегральную оптику. Как отмечается в [61] именно интегральная оптика позволит обеспечить производство ВОГ с допусками, измеряемыми микронами и разъюстировками, измеряемыми ангстремами.
Зависимость от температуры характеристик фотодетектора.
Фотодетектор предназначен для преобразования оптической интерференционной картины в выходной электрический сигнал. Тепловые шумы нагрузочного сопротивления фотодетектора, величины «темного» тока (тока фотодетектора при отсутствии внешнего облучения) также зависят от температуры.
Зависимость от температуры характеристик оптических элементов (поляризаторов, фазовых пластинок, ротаторов, интегральных оптических схем и др.).
Зависимость от температуры характеристик излучателей.
Излучатели — полупроводниковые лазеры, световоды, суперлюми-нисцентные диоды и др.) Например, выходная мощность светодиода с двойным гетеропереходом (наименее чувствительного к температуре) уменьшается в 2 раза при увеличении температуры диода от 20 °C до 100 °C.
Вариации разности мощности оптических лучей.
Вариации разности мощности оптических лучей в противоположных направлениях, зависящие от температуры, также приводят к дрейфу ВОГ. Если мощности оптических лучей, противоположно распространяющихся по контуру ВОГ, неодинаковы, а следовательно, неодинаковы постоянные распространения лучей, то это приводит к фазовой невзаимности контура и, в результате, к ошибке при измерении угловой скорости. Известно, что разность мощностей.
0.01 мкВт в таком материале как кварц дает ошибку, выходящую из пределов допусков для систем инерциальной навигации (0.1 град/час). В типовых условиях для измерения выходного сигнала при малой угловой скорости вращения требуемая полная мощность на входе фотодетектора составляет величину «100 мкВт (с тем, чтобы превысить уровень шумов). Поэтому разность мощностей должна контролироваться с точностью 10'4 от полной мощности, что обусловливает необходимость поддержания температуры в приборе.
Изменение состояния поляризации в волокне.
Изменение состояния поляризации в волокне, которое происходит при изменении температуры, оказывает большое влияние на дрейф ВОГ. Проблема поляризационной невзаимности в настоящее время решается пассивной и активной стабилизацией состояния поляризации в волокне. Предлагаются различные способы изготовления волокна, сохраняющего поляризацию света. Например, фирма Hitachi (Япония) использует эллиптическую внешнюю оболочку, которая сжимает сердечник с круговым сечением и создает в волокне заданное натяжениеThomson-CSF (Франция) создает крученые волокна. Здесь имеются свои проблемы — для сжимаемых и крученых волокон имеет место существенная температурная зависимость наведенного двулучепреломления.
Температурная стабильность масштабного коэффициента фазы Саньяка, определяемая стабильностью площади витков контура, углом наклона плоскости витков к измерительной оси, длиной волны излучения, геометрическими параметрами прибора, флуктуациями поляризации в волокне.
Температурные изменения показателя преломления волокна.
Согласно данным [67] градиент температуры вдоль волокна в 0.007 °С только за счет появления градиента показателя преломления приводит к смещению нуля в 0.01 град/час. Для борьбы с этим источником погрешностей ВОГ применяют различные способы. Например, в разработано устройство термокомпенсации, позволяющее настроить коэффициент теплового расширения намотанного волокна таким образом, чтобы обеспечить его взаимозависимость с термическим коэффициентом показателя преломления волокна и тем самым уменьшить зависимость показателя преломления от температуры.
Время готовности прибора.
Время готовности прибора — важный фактор, в значительной степени зависящий от температуры. Согласно основному соотношению [86] для ВОГ готовность его к работе должна быть практически мгновенной. Однако, как показывают теоретические и экспериментальные исследования [82], нестационарность тепловых процессов в приборе обусловливает долговременный дрейф ВОГ и время готовности прибора значительно возрастает (возможно, до нескольких десятков минут). Известные способы борьбыразработка активных систем терморегулирования прибора и схемно-алгоритмическая компенсация его температурного дрейфа.
Наличие термически индуцированной невзаимности в волоконном контуре [73].
Этот фактор включает многие из вышеуказанных и является в определенной степени интегральным фактором, обусловливающим в основном температурный дрейф ВОГ. Термически индуцированная невзаимность имеет место, когда вдоль волокна действуют зависящие от времени температурные градиенты. Невзаимность возникает, если соответствующие волновые фронты двух противоположно бегущих лучей проходят одну и ту же область волокна за различное время. Оценка фотонного (дробового) предела чувствительности ВОГ, показала, что он составил величину 0.008 град/час при радиусе контура R=10 см, L=1.56 км. Такую чувствительность можно считать типовой для навигационных применений ВОГ. Если предположить, что термически индуцированная невзаимность должна давать ошибку на уровне такого дрейфа, то оказывается, что необходимо поддерживать стабильность температуры в зоне волокна на уровне 0.007 °С, что даже в относительно стабильных рабочих условиях является серьезной задачей, не говоря уже о периоде прогрева или изменений температуры окружающей среды. Способы борьбы с термически индуцированной невзаимностью сводятся в основном [73] к поиску материалов для волокна с малыми температурными коэффициентами показателя преломления, и различных способов намотки волокна. Например, в [73] намотка не цилиндрический каркас оптического волокна выполнена таким образом, что 90% +95% длины витка лежит в одной плоскости и только малая часть длины уходит на переход между витками. Намотка может иметь как дипольную (переход между витками происходит вдоль двух образующих цилиндрической катушки), так и квадру-польную (межвитковый переход идет по четырем образующим) симметрию. Выполненная таким образом намотка позволяет минимизировать влияние на работу ВОГ внешних факторов (температуры, вибрации, магнитного поля и.
ДР-).
Очевидно, что наиболее существенным источником погрешностей БИНС на ВОГ являются температурные возмущения. Поэтому разработка корректных математических моделей влияния этих процессов на погрешности БИНС на ВОГ, создание на основе этих моделей алгоритмов и программных модулей численного анализа и синтеза конструкций с целью уменьшения температурного дрейфа имеет не только прикладное, но и теоретическое значение для интенсивного развития навигационного приборостроения в приоритетных отраслях современной техники, что и определяет актуальность темы данной диссертации и основное направление проведенных в ней исследований. Этим и обосновывается актуальность данной работы.
Научная новизна результатов проведенных исследований заключается в следующем.
— Впервые разработана математическая модель нестационарных тепловых процессов в бесплатформенных инерциальных навигационных системах с волоконно-оптическими гироскопами (БИНС с ВОГ) как для случая без системы термостатирования, так и для случая наличия системы терморегулирования.
— Проведено математическое моделирование нестационарных трехмерных неоднородных тепловых процессов БИНС с ВОГ, позволяющее получить количественную оценку ее температурного дрейфа.
— Разработаны принципы и методы выбора схем реализации систем терморегулирования оптико-электронных измерителей инерциальной информации с волоконно-оптическими гироскопами.
— Показано, что близкие к ступенчатым температурные воздействия влияют значительно существеннее на температурный дрейф БИНС с ВОГ, чем гармоническое изменение температуры окружающей среды.
— Показано, что применение алгоритмической компенсации температурного дрейфа ВОГ, по данным математического моделирования, позволяет уменьшить максимальные значения температурного дрейфа более чем в 3 раза для нетермостатированного ВОГ.
— Проведен качественный анализ возможных мер пассивного характера (без энергоемкой системы термостатирования) по повышению инвариантности БИНС с ВОГ по отношению к внешним и внутренним температурным возмущениям.
Достоверность полученных результатов проведенных исследований обеспечивались корректностью применения современных математических методов, адекватностью разработанных моделей исследуемым физическим процессам, соответствием теоретических выводов данным натурных испытаний.
Теоретическое значение результатов полученных в работе заключается в построении математических моделей на основе распространения метода «тепловых балансов» для анализа температурного дрейфа БИНС с ВОГ в условиях различного рода нестационарных внешних и внутренних температурных возмущений.
Практическая значимость работы заключается в том, сто разработан программный комплекс, позволяющий разработчику на стадии проектирования и испытаний анализировать влияние на температурный дрейф прибора изменений конструктивных параметров БИНС с ВОГ и изменений параметров нестационарных тепловых возмущений.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований доложены на двух международных конференциях по интегрированным навигационным системам г. С-Петербургмеждународной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» г. Саратовна научных семинарах Института проблем точной механики и управления Российской Академии Наук г. Саратов.
4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
И ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ.
1. Построены математические модели тепловых процессов, протекающих в блоке измерителей угловых скоростей волоконно-оптическом с акселерометрами (ИУС BOA) и волоконно-оптическом гироскопе ПНСК40 (ВОГ), реализованные в специализированных программных комплексах «BL-IUS», «VOG» и позволяющие рассчитывать, визуализировать и анализировать неоднородные, трехмерные, нестационарные температурные поля рассматриваемых приборных систем.
Проведено математическое моделирование тепловых процессов в рассматриваемом блоке ИУС BOA и волоконно-оптическом гироскопе в различных условиях и режимах их работы путем проведения компьютерных экспериментов и получены качественные и количественные оценки параметров этих процессов.
2. Определены перегревы над температурой окружающей среды в элементах ВОГ исследуемой БИНС, время переходных процессов, не превышающее 900 с.
Показано, что реализация теплового шунтирования и установка радиаторов в зонах основных источников тепловыделения, приводит к снижению перегревов на 25ч-30%.
3. Проведены серии вычислительных экспериментов по анализу функционирования ВОГ (без системы терморегулирования) в условиях детерминированных (ступенчатых и гармонических) и случайных тепловых воздействий. Как показали проведенные численные исследования, тепловой дрейф ВОГ пропорционален скорости ATR изменения радиальных температурных перепадов по волоконной бухте, что полностью подтверждает полученные аналитические оценки.
4. Предложен и обоснован выбор реверсивной системы терморегулирования на полупроводниковых термоэлектрических батареях Пельтье для поддержания заданной температуры в волоконной бухте и в источнике оптического излучения — лазерном или суперлюминисцентном диоде.
Выбраны законы регулирования температуры СТР в волоконной бухте с постоянным соотношением распределения мощности по внешней и внутренней стороне катушки и с дополнительным каналом регулирования радиальных температурных перепадов.
5. Интегральный тепловой дрейф ВОГ при рассмотренных детерминированных и случайных температурных воздействиях значительно (в 2ч-5 раз) уменьшается, при применении системы терморегулирования волоконной бухты.
В целом проведенный анализ показывает, что без учета влияния температурных воздействий, построения и исследования математических моделей тепловых процессов и температурного дрейфа очень сложно создать прецизионный ВОГ, пригодный для решения задач инерциальной навигации.
