автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Гирокомпас на основе зеемановского кольцевого лазера

005002131

Колбас Юрий Юрьевич

Гирокомпас на основе зеемановского кольцевого лазера.

Специальность 05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы»

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 НОЯ 2011

Москва 2011 г.

005002131

На правах рукописи

Колбас Юрий Юрьевич

Гирокомпас на основе зеемановского кольцевого лазера.

Специальность 05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы

комплексы»

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических на\ к

Москва

2011 г.

Работа выполнена в ФГУП «НИМ «Полюс» им. М.ф. Сте;

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат физико- математических на^к. старший научный сотрудник Голяев Ю.Д.

доктор технических наук. Прядеин В.А.

кандидат техничеких наук, доцент Арсеньев В.Д.

Ведущая организация:

ФГУП «.Центральный научно-исследовательский институт автоматики и

гидравлики»

СтелСьма"аТРТаШ1еП М°Ж"° °ЗНаК0МИТЬСЯ в библиотеке ФГУП с НИИ .Пол,ос им М.

Автореферат разослан:

01 ноября 2011 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Ученого Совета Д.409.003.01 при ФГУП "НИМ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"

Кротов Ю.А

Введение.

В современной технике большую роль играют оптические и оптико- электронные приборы и комплексы. Среди них разнообразные оптикоэлектронные системы наблюдения, разведки, управления движением объектов, навигации и наведения на цель. Появление в 1970-х годах лазеров- источников когерентного оптического излучения - придало оптико- электронным системам качественно новые возможности. Среди лазерных оптико- электронных систем следует особенно выделить лазерные дальномеры, целеуказатели и системы навигации и управления на базе лазерных гироскопов.

Появление системы навигации и управления на базе лазерных гироскопов, включая лазерные гирокомпасы (приборы для определения азимута) было обусловлено потребностями техники. Сегодня подавляющая часть бесплатформенных навигационных систем строится на лазерных гироскопах. Хорошо известны приборы фирм Honeywell. Nonhrop Grumman. Tales. «Полюс». МИЭА. РПКБ, которые выпускаются большими тиражами.

В последнее время стали активно развиваться лазерные гирокомпасы- как для морского так и наземного применения.

Для создания гирокомпасов в принципе подходят любые гироскопы. Однако, с точки зрения оптимального соотношения конструктивных, надежностных, точностных, стоимостных параметров в настоящее время следует выделить лазерные гироскопы с магнитооптической частотной подставкой. Механические гироскопы имеют хорошую точность, однако неприемлемую для полевой эксплуатации чувствительность к механическим и климатическим воздействиям. Волоконно- оптические гироскопы не обеспечивают необходимую для, гирокомпасирования стабильность смешения нуля и масштабного коэффициента в требуемом диапазоне температур.

Возможность создания гирокомпаса на лазерном гироскопе впервые была обсуждена в конце 70-х- начале'80-х г.г. Однако несовершенство конструкции (виброподставка) и большие габариты лазерных гироскопов на тот период не позволила приступить к практической реализации высказанной идеи. К настоящему времени лазерные гироскопы достигли существенного прогресса, и возможность создания на их основе технически и экономически конкурентно-способных гирокомпасов из гипотетической превратилась в реальную.

В настоящее время созданы и серийно выпускаются лазерные гироскопы двух поколений.

Первое поколение, использует в своей конструкции высокодобротный механический виброподвес лазера для преодоления «мертвой» зоны гироскопа и линеаризации его выходной характеристики. Существенным недостатком таких приборов является прецессия оси чувствительности гироскопа и ее чувствительность к механическим перегрузкам. Второе поколение имеет монолитнчо конструкцию, уже полностью лишенную каких-либо подвижных частей и использует для преодоления «мертвой зоны» магнитооптическое управление на основе эффектов Зеемана или

Фаразея. Учитывая- перспективность лазерных гироскопов второго поколения, исследования ■ разработка гирокомпаса с использованием лазерного гироскопа на эффекте Зеемана являюгс актуальным и практически важны.« лелом.

1. Цель к задачи работы.

Целью настоящей работы является исследование принципов построения и конструкции гирокомпаса с использованием зеемановского кольцевого лазера с магнитооптической частотной полставкой. Для этого необходимо было решить следующие задачи:

!.1. Построить принципиальную схему работы гирокомпаса и математическую модель ошибок гирокомпасирования.

] .2. Выделить независимые составляющие ошибки гирокомпасирования и вывести формулы для их расчета.

].?. Исследовать физические причины возникновения каждой из составляющих ошибок и предложить оптимальные режимы работы гирокомпаса для их минимизации.

1.4. Подтвердить правильность построенной математической модели путем сравнения проведенных количественных расчетов и экспериментальных результатов на опытных образцах лазерных гирокомпасов.

I.e. Используя созданную математическую модель рассчитать предельно возможную точность гирокомпаса с использованием зеемановского кольцевого лазера с магнитооптической частотной подставкой.

1.6. На базе проведенных расчетов разработать конструкцию, изготовить и испытать опытные образцы лазерного гирокомпаса.

2. Актуальность работы.

Развитие современной техники, прежде всего средств начальной выставки объектов и целеуказания, требует создания гирокомпасов, способных определить точный азим-.т з2 относительно короткое время в жестких полевых условиях. Традиционные механические ib основном поплавковые) гирокомпасы имея высокую точность не обеспечивают требований по оперативности информации и устойчивости к механическим ударам и вибрациям в полевых условиях применения. Магнитные компасы обладая оперативностью и устойчивостью к жестким .условиям эксплуатации, не имеют нужной точности. Поэтому возникла потребность в приборах нового поколения, удовлетворяющих всей совокупности современных требований. Таким перспективным гирокомпасом является лазерный гирокомпас, основанный ка одноосном лазерном гироскопе. Первые работы в этой области подтвердили безусловную перспективность зтогс направления, особенно с применением зеемановских кольцевых лазеров, обладающих каь

высоким» эксплуатационным!! параметрами, так и достаточной точностью. Эти обстоятельства определи актуальность темы настоящей диссертации.

3. Научная новизна работы.

5.1 Впервые теоретически и экспериментально обоснована схема построения гирокомпаса с использованием зеемановского кольцевого лазера с магнитооптической частотной подставкой.

3.2 Выделены независимые составляющие ошибки гирокомпасирования и выведены формулы для их расчета. Результаты математического моделирования подтверждены экспериментом.

3.3 Исследованы физические причины возникновения каждой из составляющих ошибок и исследованы различные оптимальные режимы работы гирокомпаса для их минимизации..прежде всего переключение направления поляризации мод генерации и реверс оси чувствительности, а также выбор оптимального времени работы в каждом положении.

3.4 Впервые исследованы влияющие на точность лазерного гирокомпаса внешние факторы, прежде всего изменение температуры при самопрогреве прибора.

3.5 Впервые проведен расчет предельно возможной точности определения азимгга с использованием зеемановского кольцевого лазера с магнитооптической частотной подставкой.

3.6 Впервые разработана, изготовлена I! успешно испытана конструкция гирокомпаса, обеспечивающая выполнение совокупности точностных и эксплуатационных параметров, ранее недостижимых другими видами гирокомпасов.

3.7 Впервые предложен и реализован метод переключения продольных мод генерации зеемановского кольцевого лазера. обеспечивший существенное снижение ошибки азимутирования.

-I. Основные положения, зашншае.мые в диссертации.

4.1. Разработанная и реализованная схема построения гирокомпаса, основанная на расположении на поворотной платформе гироскопа и дв\"х акселерометров, измерительные оси которых параллельны плоскости вращения платформы обеспечивает максимальную точность измерения азимута.

4.2. Разработанные и реализованные в работе циклограмма измерений и алгоритм математической обработки данных от гироскопа н акселерометров обеспечиваюг эффективное парирование основных дрейфов нулевых сигналов этих датчиков и позволяют получить максимальную точность при минимальном времени азимутирования.

4.3 Предложенный и реализованный в работе метод электрического переключения мод генерации зеемановского кольцевого лазера с ортогональными круговыми поляризациями позволяет без усложнения конструкции существенно уменьшить основное составляющую ошибки азимутирования - дрейф нуля гироскопа.

4.4 Предложенный и реализованный в работе метол поворота на ISO'' измерительных осей датчиков гироскопа и акселерометров позволяет компенсировать дрейфы нллеЕых сигналов этих датчиков в условиях меняющейся температуры окружающей среды и са.чопрогргва гирокомпаса.

5. Практическая ценность работы.

Данная работа выполнена в рамках тематической разработки ФГУП НИИ .'Полюс- им. М.Ф. Стельмаха лазерного гирокомпаса ЛГК-4. Все результаты диссертации непосредственно вошли г разработанный прибор ЛГК-4 и обеспечили выполнение требований технического задания. Разработанный гирокомпас включен в состав комплекса лазерного дальномера-целеуказателя -подсветчика цели ЛЦД «Визир». Наличие в составе комплекса ЛГК-4 обеспечило качественно новые ТТХ в части мобильности, точности и полной автономности в эксплуатации е полевых условиях. Кроме того накопленный опыт создания и опытной эксплуатации ЛГК-4 позволил сформулировать пули дальнейшего совершенствования прибора, прежде всего повышения точности и оперативности, что будет использовано в последующих разработках ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха.

6. Внедрение результатов диссертационной работы

Результаты настоящей работы внедрены в разработке лазерного гирокомпаса ЛГК-4 как составной части лазерного дальномера- целеуказателя ЛИП «Визир« (акт о внедрении прилагается I.

7. Достоверность и обоснованность полученных результатов.

Достоверность результатов подтверждается близким совпадением полученных результатов математического моделирования с экспериментальными результатами для разработанных лазерных гирокомпасов ЛГК-4. Достоверность экспериментальных результатов подтверждена разработкой и использованием аттестованных методик при испытаниях опытных образцов вышеуказанных приборов. Кроме того, полученные в работе выводы совпадают с результатами, полу ченными другими авторами в смежных областях исследований гироскопов и гирокомпасов.

8. Апробация работы и публикации.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 10 статьях, докладывались на Международной конференции. Получено 6 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

9. Структура диссертации.

Структура диссертационной работы выбрана в соответствии с избранной темой и содержанием. Она состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литераторы. ОбшиП ооъем работы составляет 69 страниц, в том числе текста 51 страница. 14 страниц иллюстраций. 4 таолпцы и список литературы на 4 страницах 54 наименования.

10. Солержанне работы. Во введении изложена историческая ретроспектива методов и инструментов для определения азимута и результаты предшествующих исследований лазерных гирокомпасов.

В первой главе рассмотрена функциональная схема „ пр,шшш работы гирокомпаса, проиллюстрированные на Рис. 1 и 2. Задачей гирокомпаса является определение угла у между проекцией измерительной оси гирокомпаса в плоскости местного горизонта и направлением на Север. Лазерный гироскоп и два акселерометра установлены на поворотной платформе с возможностью фиксации в 16 положениях, причем оси чувствительности гироскопа и' одного акселерометра .тангаж! совпадают и перпендикулярны оси вращения платформы. Ось чувствительности второго акселерометра (крен) перпендикулярна оси чувствительности гироскопа И оси вращения платформы. В первом из фиксированных положений платформы измерительная ось гирокомпаса и ось чувствительности гироскопа совпадают.

На первом этапе измерение проекции угловой скорости вращения Земли и угла наклона производят пРи исходном положении оси чувствительности гироскопа/ совпадающем с измерительной осью гирокомпаса, а также под углом 90" к исходному положению, по результатам которых определяют предварительный азимут.

На первом этапе измерения лазерный гироскоп работает попеременно на лвул ортогональных модах по в с на каждой. Затем его разворачивают на угол 9(У по часовой стрелке и повторяют измерения.

Из этих 4 измерений предварительный азимут упргд определяется по формуле: зтупры = |Ппз» (Пзсозф)- зто^оШФУсозопз

С05Упра " 1,£~2пзолОзсогю)- ¿тогошшусозого (1)

где ППЗ(1. йпззд- измеренная величина проекции угловой скорости вращения Земли на измерительную ось гироскопа при первоначальном положении и при повороте на 90й:

П,- у гловая скорость вращения Земли. 15.04 «Ч <р- географическая широта точки стояния: оГ0 и и^о- углы наклона измерительной оси гироскопа к плоскости местного горизонта при первоначальном положении и при повороте на 90°, измеряемые акселерометрами.

Проекции же угловой скорости вращения Земли в каждом из этих положений рассчитываются по формулам:

О-ЛЗ! =< 12- П|нч . Опзоо=(Пго--По,' 1 2 - п|нч ,;

-О,: . О, . Ол, . n«, - измеренная гироскопом угловая скорость в первоначальном положении на| ортогональных модах генерации «-» и <-« . Qtm - немагнитная составляющая дрейфа гироскопа.! которая описывается полиномом второго порядка от температуры (рис.За).

Магнитная составляющая дрейфа полностью компенсируется, поскольку для ортогональных мол она одинакова по величине, но противоположна по знак-v.

На последующем этапе измерение проекции угловой скорости вращения Земли и '-тла наклона производят при 04. зафиксированной в положении, близком к направлению запад-восток (восток-запад), которое определяется по предварительному азимуту. На четвертом этапе 04 фиксируется в положении, повернутом на угол 180°. I

smp= (('ar- ai4")- sin (—-12) (ay*-a:4)):2g-Aa0]

sína= ((aj*- a24)- sin -12) (a,;- а^Ш^Да«,;.- 2g (3).

a„ и a,j- смещения нулей акселерометров 1 и 2. Дао1. Да^,; - случайные составляющие смещения

нулей акселерометров 1 и 2. 12 - угол между измерительными осями акселерометрами 1 и 2.

RS-232

А

04 ЭБ

- БА

лг

04

Ü

пв

Устройство лазерного гироскопа: ПВ - платформа вращения БА - блок акселерометров ЭБ - электронный блок ЛГ - лазерный гироскоп 04 - оси чувствительности лазерного гироскопа и двухосного блока акселерометров

Рис. 1. Устройство лазерного гирокомпаса. Значение азимута измерительной оси гироскопа у в положении 3 '"к-лз-^.Ч -'-(-О;

- О ; COS о

cosfií-:

(41

S

по гк

110 ГК - измерительная ось гирокомпаса: широта места точки измерения; (3 - угол наклона 110 ГК к плоскости местного горизонта: у - азимут: с - угол между осью чувствительности гироскопа б положении, перпендикулярном направлению МО ГК И и плоскостью местного горизонта.

Рис.2. Принцип работы лазерного гирокомпаса. Соответственно углы наклона плоскости гирокомпаса и азимут измерительной оси гирокомпаса мот быть вычислены по формулам:

агк =агс5т1,5тасо513 - зт^ш 13 >

(Згк =агс5т(5т[Зсоз 13 - зтсвт 13) (.5)

•/„.-¡<-агссо5( (согрсоБ 13 -зтсдарэт 13 ) со5[5). где 13-угол между положениями 1 и 3 отсчитываемый в плоскости гирокомпаса. Во второй главе выделены независимые источники и построена модель ошибок гирокомпаса. В обшем виде суммарная величина ошибки Ду определения угла у может сыть выражена в

виде

Ю)

А у = д/Лг^ +Дг; + - ±Г2„ ,

где А у Пю-ошибка, связанная с дрейфом гироскопа, а именно со стабильностью его немагнитной составляющей, А у, . ошибка, связанная с неточностью определения широты места. Ау3- ошибка, связанная со смешением нуля акселерометра, Дуп - геометрическая

ошибка поворотного устройства.

Немагнитная составляющая дрейфа от времени П?нм(0 хорошо описывается суперпозицией линейной монотонной составляющей и случайной составляющей (шум) (см. рис. 4): П „. (0= П г«~ - А' ~ П г* ■ '7|

Ошибка, связанная с дрейфом гироскопа:

Q ^___0.5 к А к £_ _ _

О з cos о TCI . cos о к 2

где к- цена импульса (масштабный коэффициент). Дк- невоспроизводимость цены импульса. Величина 0§ш для зеемановского гироскопа в режиме реверса мод составляет примерно 0.! "с. относительная погрешность масштабного коэффициента ЛИ менее 7.5* 10"5 отн. масштабный коэффициент к= 0.833"', величина (н'2--/)<0,22 рад.(12.5с ). время измерения Т=300 0 016 0.5 - 0.833

.5 ■ Ю " " 0.22 = 0.003396 рал = И .68 '

Д

15 04 - 0,342 300 • 15 .04 " 0.342 Ошибка, связанная с неточностью определения широты места А у

±<Р 1ПЛ! „ (9)

Д..' =

-sin о-В 1

С05 ' 0 П ;

Точность определения широты места Л(р в настояшее время лимитирована точное! спутниковых навигационных систем. Горизонтальная ошибка местоопределения по уровню Д<р=1,7*Ю° рад. (3,6"). Для ф= 70°, (5=10°, у=Ю° д г е = 1,4*10"5 рад. (2,9").

А У г. определяется точностью изготовления поворотного устройства или считывателя v; поворота и сотавляет 0.00029 рад. (Г).

Ошибка измерения наклона зависит от шумовой составляющей смещения нуля акселероме

и точности определения угла между измерительными осями акселерометров 1 и 2 Д12:

±а

\уа = (■—-ti 12p)tg<p

(10)

Проведем количественную оценку. Точность определения д!2 составляет 3.7*1 (Г1 рз (76,2"). р достигает 0,175 рад. (10°), шумовая составляющая смещения нуля акселеромет Дао=0,002 м/с". Для максимальной широты точки стояния <р= 70° получим Ауа=7.3*10"! рад. (2.5")

П =ч

Т-25. "С

Т-25. ''С

t - _J

fe ^

г., - / Е" 1

[*х / 1

g_ 1

точки- экспериментальные данные: линия- аппроксимирующий полином 2-го порядка

Рис. 3 Температурные зависимости немагнитной (а) и магнитной (б) составляющих дрейфа зеемановского лазерного гироскопа.

Рис.4.Зашсдаюсльнемагщтюйсоспжтяющен дрейфа ст времени.

В третьей главе рассмотрены физические причины ошибок и методы н.х устранения или компенсации, приведены их расчеты, сравнение с экспериментальными результатами, а также проведена оценка минимальных физически достижимых погрешностей.

Теоретический предел минимально возможного дрейфа 0|ш определяется спонтанным излучением:

■ о =

м «Ч-„У Т Р

где Оф- спектральная плотность флуктуации разности частот встречных волн лазера на нулевой частоте, с- скорость света. I. - периметр резонатора Б- плошаль. охватываемая оптическим контуром: \'0,- частота генерации лазера. Д\'рсз - ширина полосы резонатора, п -постоянная Планка, Р- мошность лазерного излучения внутри резонатора.

Для 1_=0,2 м. 5=0,0025 м". \у= 4.73*1014 Гц, Д\'ре, =5,6*105 Гц. Р=5*10": Вт. Т= 600 с. Й =1,054* 10'""1 Дж.'Гц. 02Ш=0.0020/ч. На широте 70° это приведет к ошибке гирокомпаса 1,33'.

В лазерном гироскопе, работающем в режиме реверса мол генерации можно выделить следующие составляющие дрейфа, приводящие к шумовой составляющей немагнитной составляющей дрейфа:

- Во-первых, изменение динамических зон захвата, связанное с изменением амплитуды частотной подставки:

- Во-вторых. Ленгмюровский дрейф и катафорез. Сразу отметим, что в используемой схеме гирокомпаса значение имеет только нелинейная от времени работы его составляющая, а линейная парируется.

- В-третьих, нелинейное изменение от времени магнитной составляющей дрейфа. Сюда же относятся все так называемые динамические дрейфы, т.е. вызванные синхронными с коммутацией частотной подставки воздействиями.

Величина нулевой динамической зоны определяется формулой:

20., ~-Г~ . х(Т-г)Л.

' ( 7 1 (12)'

С!!. - величина статической зоны захвата. Гц, А - амплитуда частотной подставки. Гц.

Тк - период коммутации подставки в с. - - длительность фронта переключения подставки, с.

Невоспроизводимость же масштабного коэффициента Дк равна:

Дк 1 О, ,

Т=2(ТГ <13>'

При введении в подставку дополнительного «медленного меандра» выходная характеристика

изменяется. На ней остаются мелкие остаточные зоны со сдвигом, а суммарная ошибка равна:

1 п"

да,.. =--^—г+-— (И).

4 (.<„„ -О.)-

где АМм- амплитуда «медленного меандра», Тмм - период «медленного меандра».

Оценим величину Пгш|_. Согласно статистике, набранной в наших экспериментах, значение . составляет 300 Гц, А= 60000 Гц, Тк=0.004 с, 1=0.00001 с. Амм=120 Гц, Тмм=1 с, к=3.33°/чГц. Тог получим: Оьо=0,9 Гц, ДП,1.мм=0,0048 Гц, Пгш[.=0.015 °/ч.

Оценим теоретический предел данной ошибки. Поскольку увеличить амплитуду частота подставки не представляется возможным, есть возможность ввести отбор гироскопов по величи зоны захвата не более 50 Гц, увеличить период коммутации в 2,5 раза, Амм установить 50 Гц. Тм -4 с.

В этом случае получим предел данного вида погрешности П[_а0=0г064 Гц. ДП?!.мм=0.00021 Г П?ш, =0.00064 0;ч.

Большой вклад в немагнитную составляющую дрейфа вносит токовый дрейф, вызваннь Ленгмюровскнм потоком активных атомов, а также катофорезом.

Для компенсации токового дрейфа в кольцевом лазере устроены 2 газоразрядных канала, токи которых противоположны и примерно равны, то величина окончательного токового дрейфа ДП равна:

ДП,; = --—--^Мг^-— (.9,-Л) (15)

■^пЬ'и

гае бо!.: - коэффициенты усиления в центре контура усиления в газоразрядных промежутках и 2; 1^1.2 - длина газоразрядных промежутков; Ь - периметр резонатора; и- тепловая скорос движения активных атомов неона: Ду- величина сдвига оптического контура за счет эффек Зеемана; \-0=с/>. - частота генерации лазера; /.- длина волны генерации: 0|2 - поступательн скорость движения активных атомов.

Зависимость токового дрейфа от токов разряда можно записать в виде:

ДО_2т=(а,-ьДа|)(1-Д1)2-(агДа1)(1-Д1)2=4а,Д1Ь2Да|12 (16)

Рис.5 Выходная характеристика лазерного гироскопа с периодической частотной

подставкой

Динамические дрейфы вызваны работой зеемановского лазера на ортогональных модах. Если Д02М зависит от времени по некоторому закону, то величина ДОеямр равна:

дп„.-i-^- (17)

Магнитная составляющая дрейфа, вызванная работой электронных блоков, прежде всего связана с блоком частотной подставки (БЧП).

Поскольку ток обязательно проходит через разделительный конденсатор, поддерживается близкое равенство интегралов положительных и отрицательных полупериодов полставки и дополнительный магнитный дрейф из-за несимметрии подставки ДО|м„ равен:

дп ,„ = -2ы ~'\т. (18)

и;

где I- среднее значение тока БЧП за период коммутации подставки, о =--^-а. ив-

л

магнетрон Бора, равный 1.82* 106 Гц/Э. а=1,7 кГц/Э.

Аналогичный характер имеет динамический дрейф, вызываемый изменениями частотной подставки, синхронными с коммутацией подставки, например колебания периметра.

При частоте пульсаций, кратной частоте коммутации подставки дрейф равен 0. При частоте пульсаций, полукратной частоте коммутации полставки величина дрейфа равна: лп _ s-m{2d/) (19).

m ~ i .

i3

РЗВНОе 0™0ШеНИЮ ЧаСТ0ТЫ К —— -стаз,, 4 „ ,

ак °Т УСИЛеШ,Я аКТИВН0Г' ^ » ~оре. ~ат Р

~ ™——■-—~

Пульсации катодного напряжения приводят к появлению пульсаций в токе анодов ра:™ ГаРМ0Н"КаХ 0СН0ВВДЛ ~ —" подставки V максимальный дрей

ДОлР2к,Д1/(яТку)=2к1лие-,^/(я аду) Г0)

где „- количество периодов коммутации подставки в такте измерения информации I

сопротивление балластных резисторов; к, - коэффициент стабилизации тока- V- частота пульсации; х. посхоянная времгш, стабнлпзатора_ ^ ^ ^^ ^^^

начальная разность фаз; к,- коэффициент пропорциональности между ТОком накачки и чютотой подставки. На четных гармониках дрейф равен нулю.

На частотах, меньших часто™ коммутации подставки динамический дрейф имеег

периодическую зависимость от времени:

ДПл1=2к,дие-' ""/(яТ.у!^) 5!п2(яТКч./2)соз(27г(1Я1:-\')(-р0) р,,

1. Пульсации наиболее опасны на частоте, равной частоте комм;Таш,„ ПЮСПВИ|. Пр„ ьших и меньших частотах динамический дрейф убывает либо прямо либо обратно пропорционально отношена частоты пульсаций и частоты комм.^ции подставки

т.: П0СК0ЛЬК>' ТаКТ УСРеДНеНПЯ ИНф°— » образует целого кратного с частотой

"7Гпрп частотах пульсашш-ме™ частоты —1 —

ПР0ЯЕЛЯеТС* Е «= амплитудой шума А^ равной (-)

в основе изменений как магнитного, так „ немагнитного дрейфов при гирокомпасировании лежит самопрогрев гироскопа, акселерометров и электронных блоков

Для температур гироскопа Т„р и электронных блоков Т,5 можно записать 2 сравнения :

^ , (23)

Т> ' ') -г - /'

Г *'

т, - температура окружающей среды, котор.™ за время измерения .можно считать постоянной .-постоянная времени прогрева лазерного гироскопа, электронных блоков или акселерометра

В о нзменений токового дрег1фа от временн работы ^ т ^

Г Оскопа, приволяшее к изменению тепловой скорости движения атомов, усиления, а та'кже смещению световых лучей по сечению канала. Периметр Ь поддерживается постоянным а разность длин газоразрядных промежутков меняется очень мало.

Величина токовой составляющей ПгшТ определяется по формуле:

--~ К г.. <•>+-'—-) - 1

12к .!. ' 2(Г„г,.

V т (24)

)' „ 12 (7~Л, ):

тле ш- масса атома неона: к- постоянная Больцмана.

Принятая схема измерений с двум, реверсами измерительной оси ЛГ компенсирует изменение токового дрейфа гироскопа из-за самопрогрева при условии, что время измерения Т много меньше времени прогрева гироскопа.

Величина квазинемагнитной составляющей дрейфа П?шБЧП будет равна:

А'^АГ^ Г, .Л Т

~Г

«ешБЧП *-(25)

где ДТ,- разность между длительностями положительного и отрицательного полупериодами коммутации подставки в момент включения г=0.

Оценим величину П?шЕчп. Согласно статистике, набранной в наших экспериментах, в зеемановских кольцевых лазерах Н-100Э, АТгар=25 "С, ЛТк=10"6с. тП1?=40 мин.. Т=5 м„н., т;б= 4 мин.. >.=0.633 мкм. Тогда получим ^=3.02*10"4 Гц/Э3. Аь=1,1*10« Га-Э3«С, П|шЕЧП=0,0004 = 'ч. Теоретически минимально возможное значение данного вида ошибки равно 0. Отметим, что в сигнале пульсаций на пьезокерамюсе присутствуют обычно 2 составляющих: высокочастотная пульсация на частоте работы вторичного источника питания с совершенно не синхронизированной с сигналом БЧП фазой и синхронная со стабильной задержкой по фазе пульсация на частоте, кратной частоте коммутации подставки. В первом случае можно считать, что в промежутках времени от 0 до Т и от Т до 2Т пульсации совершенно независимы и дрейф

может принимать значения от .">21,^,: до Максимальная величина

ПЬТ (. . Ш~ V .

квазинемагнитного дрейфа будет равна:

--..... •-• г (26)

ш.т i ;

Тогда 0|шСРП для следующих типичных параметров равно: 1>60 кГц, ¿=10, т=200. и,= 50В. ■Д1';,=0.05В. П|шсрп=0.0063 0 ч

Теоретически минимально возможное значение данного вида ошибки равно 0.

Случайная ошибка из-за высокочастотных пульсации катодного напряжения прямо входит в ошибку гирокомпасирования:

Пгшкп= к| лие"1 --"/'(яТуКсН ' (27)

Для типичных значений Д1)=5 В. v=40 кГц, Т=300 с. кС1=1. к,=40 кГшмА. R= 70 кОм т=1.4*10"6 с Г2?шкп=0.00093 °/ч. Теоретически минимально возможное значение данного зила ошибки равно 0. П^ = ^/П^. * 0-016%,

квантового предела точности- 0.002 °/ч.

Технически же достижимое значение Пгш определяется технически достижимым значением QjmL и минимальное значение ошибки равно квантовому предел}- точности 0еш=0.002 °<'ч.

Величина дискрета Дк определяется применяемой электронной схемой преобразования сигналов биений встречных волн в импульсы. Простейшая схема позволяет формировать импульсы по каждому из переходов нулевого уровня сигналами sin и cos. Т.е. на 1 период биений встречных волн формируется 4 импульса. Т.о. реальный дискрет равен 1/4 части геометрического значения! В нашем случае геометрическое значение равно 3,335". Соответственно минимум к=0.8'5". Используя более сложные схемы т.н. домера фазы, величину дискрета можно сделать практически любой.

Относительная же величина нестабильности масштабного коэффициента ДкЛс определяется точностью заводской калибровки, изменением длины периметра в диапазоне температур, изменением коэффициента преломления активной среды от температуры, вкладом захвата встречных волн. Масштабный коэффициент определяется на поворотном столе, имеющем точную отсечк\- угла поворота. Для исключения собственного дрейфа ЛГ, а также дрейфа, линейного от времени, выполняют нечетное число оборотов по и против часовой стрелке. Погрешность определяется по формуле:

Лк Ли/ _ .,„..

— = —— -¡-(i-cosí) (2S),

к w

где Ду- ошибка отсечки угла поворота, и*- угол поворота. I- угол между измерительной осью ЛГ и нормалью к поворотному столу. При типичном значении Ду=10". у=720*. í=0.5c Дк<к=4* 10": отн. ед. "

Применение современного двухкоординатного стола, позволяющего измерить угол ; с точностью 10". к тому же имеющего точность отсечки угла поворота 5". позволит уменьшить эту величину до 2* 10~6 отн. ед.

Изменение длины периметра определяется КТР применяемого материала:

— = А77>тах(7"-25) (29).

к

где шах(Г-25)- максимальная разница между температурой ЛГ и нормальными климатическими условиями. Для ситалла КТР= 1.5*10"' отн. ед.."С. тах(7"-25)=50°С. Соответственно Дк/к= 7,5*10~6 отн. ед.

Зависимость масштабного коэффициента лазерного гироскопа от температуры равна:

А.': _ c3G„ . 4c\v- ул-r,-

к * 2^Lv,rA , I ЛГ„. 1 ATV , / ~ U~

-

Можно оценить величин}- Дк-'к, исходя из того, что для современного зеемановекого кольцевого лазера 7,Ч„=300К, ЛТ,.„Р=60К, Go=0,02, L= 0,16 м, v„= 4,74*10'"' Гц, Д\-=108 Гц.

G(1=1.02. vab=8*107 Гц: ~ = 5,5 * 10~* отнмд.

Влияние захвата на масштабный коэффициент описывается формулой (18) и для £\ = 300 Гц. А= 60000 Гц Дк<к=1.2*10"? отн. ед.

Отдельно рассмотрены причины возникновения геометрических ошибок. Показано, что ошибка определения угла 180° между положениями "3" и "4" не превышает Г и данный вид ошибки может быть снижен до 20 угл.с.

Ошибка определения угла 12- Д12 не более 30" и может быть уменьшена до 10". В общем случае неточность поворота ка ISO0 может быть определена как сумма квадратов случайной и температурной погрешности и равна у (60)2 + ( jf- = 60,4угл.с.

Предел погрешности поворота на угол 180°, достижимый современными техническими средствами равен %'(20): -г (7): =21.2\тл.с.

Включая температурную погрешность, ошибку определения угла 12 можно определить как Д12 = л/(30)" н-(70)" =76,2" Теоретический предел погрешности Д12 равен л/(20)2 +(5Г =20.6"

Шумовая составляющая смещения нуля акселерометров при проведении измерения в двух развернутых на ISO0 положениях равна :

" >г + I2.V, ♦ Ва - ¿^«.'.(зДir + г, i-r.,

(ЗП °

Таким образом, шумовая составляющая смешения нуля акселерометров зависит от соотношений Т'тп,? и Т;-а.

Оценим шумовую ошибку акселерометра. Для А,= 0,000001 м'с2оС:, Ва=0.000307 м/с2оС. АТа=

® АТГ"?= "5°С- Та=4 МНН" т""!=40 мин- типового времени Т=5 мин. ошибка равна 0.002 4 с" (рис. 9). Минимальное же значение равно 0 и соответствует времени измерения 1,8 с.

Рассчитаем достигнутый уровень точности гирокомпаса с использованием зеемановск

лазерного гироскопа. Поскольку ЛуПш =ц.б8". А у = 2 9": А у = т -

' г " ' о ~ • получи?.

= л/^^тттт^тг—_ ^ ^ |

Из результата видно, что в настоящее время точность определения азимута полное определяется ошибкой, связанной с лазерным гироскопом.

Рис.6 Зависимость шумовой ошибки акселерометра от времени измерения Сравним полученные результаты с экспериментальными данными, полученными на 4 образна лазерных гирокомпасов ЛГК-4. которые приведены в таблиц, Ь Измерения проводились н широте Москвы- 55.6°. что соответствует 7.2". А у =1 А V

соответственно ожидаемая ошибка определения азимута Лу=7.5'.

Таблица 1

| Истинный образца | азимут ЛГК-4

Измеренные ; Погрешность

значения азимута

231 = 49' 232° О Г 232° 00' 23 Г 47' 23 Г 57

измерения

Средняя

I

Средняя

Максимальная! квадратичная I погрешность ! погрешность погрешность ! измерения : измерения измерения I

4'

9'

6.6'

23 Г 56'

232'07" 232" 10' 23 Г 56' 232" 54' 232°0Г 23 Г" 57' 231е 56'

6.9'

Оценим теоретический предел точности измерения. Можно добиться величины Да* равной

кулю и Л;.'„ будет определяться только погрешностью угла Л12. Для широты места 70° и наклона до 10 полним значение т ' о 0000242

---р—-tg 70 ' pao - 1.2 ■ 10 ' pao 1 2,4")

Предельно малая ошибка, связанная с дрейфом гироскопа ЛуПи рассчитывается исходя из уровня квантовых шумов:

о .002

~ ' 1 ' ю ' ' 6 .22 = 4 .S ш 10 pao 1 93 ' i \

!• .!>,' coi '0 "

Абсолютный минимум ошибки равен:

■1 „« = л/< 93 "

( - • 4 " )

= 95 "

В главе 4 рассмотрена конструкция лазерного гирокомпаса ЛГК-4 и результаты ее

испытаний.

В соответствие с предложенным алгоритмом работы была разработана конструкция прибора (рис.7.8.9), включавшая в себя зеемановский кольцевой лазер ДУП-4М с электроникой жизнеобеспечения и первичной обработки информации, двух акселерометров. В ДУП-4М-использовано управляемое от внешнего компьютера переключение рабочих мод кольцевого лазера. Корпус прибора является несущей конструкцией и защитным кожухом гирокомпаса. Имеет узел крепления для установки на дальномер- целеуказатель и визирную трубу, оптическая ось которой совпадает с измерительной осью гирокомпаса. С помощью визирной трубы гирокомпас наводится на объекты, азимут направления на которые следует измерить.

Опытный образец ЛГК-4 был подвергнут испытаниям на устойчивость при воздействиях пониженной- -40°С и повышенной- -50°С рабочих температур окружающей среды, а также испытаниям на прочность после воздействий пониженной- -55Т и повышенной- ^ОГ предельных температур окружающей среды. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Вид испытаний Погрешность измерения азим\та Средняя квадратичная погрешность измерения Средняя погрешность 1 измерения i Максимальная погрешность

Т -íCrC. УСТОЙЧИВОСТЬ 8,5' 8.3' 7 С-

19

•

6.2' ! !

Т=-50-'С. 6.2' устойчивость ".3' 6.7' 5.4' - у

Т=-55"С. прочность ' 2.2' 11.7' 8.6' 7.0 11.7'

Т=-70"С. прочность 2.2'

Изменение ' 3.5' температуры от -55'"С ! 4.0' 5.2' 5.5' 4.0' ло -70Х

1 Срелнеезначение I 5.9'_ _ _ 5.4' ",Г

С точностью до шумов эксперимента (±1ошибка совпадает с результатами таблицы 1, т.е.

при воздействии повышенной и пониженной температур, после воздействия циклического

Рис.7 Лазерный гирокомпас ЛГК-4 в сборе. ]-лазерный гирокомпас :1ГК-4: 2 - система навезет«.

3 - тренога; 4 - батарея питания: 5 - микро-ЭВМ: о -кабель питания. ~ - кабель связи микро-ЭВМ И систем»; навеления. 8 - кабель связи микро-ЭВМ и ЛГК-4

Рис. 8 Лазерный гирокомпас ЛГК-4 с лазерным дальномером- целеуказателем.

________Таблица 3.

В"Л "СПЬ,Т2Н'!П ; Погрешность ; Средняя квадратичная | Средняя погрешность I Максимальная

Вибрация -!е ^ 7(Г ---1-----J_измерения

IЫ' 8 I -!

Одиночный удар

ачплит\\зой т>о 5.5' 2.6' 1 5.-1'

1.Г 1

амплитудой 15д !

1 Среднее значение I __¡' 6.8' | • ю.

9.4' I 7.г | ,3.4-

Р«ультаты испытаний показывают, что ошибка несколько выше, чем до механических воздействий, причем основное значение имеют длительные удары и вибрации ( первая и третья строки таблицы 3). Оказалось, что при механических воздействиях оптическая ось зрительной трубы, от которой и осуществлялся в эксперименте отсчет азимута ориентира, случайным образом колебалась в пределах нескольких .минут.

Были проведены измерения азимута известного ориентира опытным образцом ЛГК-4 при ненулевых углах наклона измерительной оси прибора к горизонту. Измерения проводились при

двух наклонах- -г?" выше горизонта и -5° ниже горизонта. Результаты испытаний приведены в таблице 4.

________Таблица 4.

Угол к горизонт* , Погрешность измерения -,

вь:ше горизонта I ' '--;-;

-?' ниже горизонта ~~бТ --'

Среднее значение | ~~ ~--1

Результаты испытаний показывают, что с точностью до шумов эксперимента (-1') ошибка совпадает с результатами таблицы 1. т.е. при наличии наклона к горизонту, ошибка не возрастает.

В соответствии с результатами проведенных натурных испытаний на аттестованных ориентирных направлениях (восемь направлений) в рамках проведенных 27 измерений на широте -56' получено среднее значение погрешности определения дирекш.онного угла минус 0-01 д.г. (3.6') и доверительный интервал с вероятностью 0,95 Д а = ±0-01.1 д.у. (=3.9'). Максимальная погрешность составила 7,5'.

В заключении подведены итоги исследований и сделаны выводы.

Как показывает проведенное исследование, зеемановский гироскоп может быть использован для определения азимута избранного направления. Оптимальная схема предполагает применение одного лазерного гироскопа и дву. акселерометров, переключение поляризации мол генерации и реверс осей чувствительности гироскопов и акселерометров, причем должно быть проведено непрерывных измерения в двух противоположных положениях. Данное решение обеспечивает компенсацию магнитной и больше часть немагнитной составляют, дрейфа гироскоп, а также компенсацию смешений нулей акселерометров.

Выделено 4 независимых составляющих ошибки П1ГП

™ — Ф—ие ПР Г ; "Г"" ^

гироскоп, пряае всегр явлеш1е Рассмотрек11г т н —

предложенная схема измерения при выборе оптимального времени интег^еания ™ практически полностью компенсировать влияние нестабильностеЛ электронных блоков Побито с использованием современной цифровой техники можно приблизить ошибк,- гироскоп^ квантовому пороп\

Вторым по значению является неточность определения наклонов, связанная с темп^ат^, дрейфом нуля акселерометров и ошибке определения угла между ними. Показано, что о:::^, оптимальное время интегрирования, при котором эта ошибка минимальна. Установки-четвертой составляющей- точности определения широты местонахождения пренебрежимо V--,

Проведенные эксперименты с прибором ЛГК-4 показали.правильность сделанных выктадок использованных предположений и формат

Также была проведена оценка предельно достижимой точности, которая показала возможное построения прецизионного гирокомпаса (предельная ошибка определения азим-.та менее Г, п. ооеспечении достаточно малого времени измерения (до 10 мин.).

В соответствие с разработанной конструкцией и алгоритмом был созданы опытные ^азп лазерного гирокомпаса ЛГК-4 „ проведены их многочисленные температурные, механнческ, испытания.,* также опытная эксплуатация в полевых условиях. Ринаты п^-ал нечувствительность разработанного прибора к температурным, механическим воздействий также возможность работы без гоРизонтнРовання гирокомпаса. Во всех случаях ошибк определения азимута с точностью до ошибки эксперимента не превышала расчетную.

В заключении хочу выразить благодарность руководителю работы к.ф.-м. н. Голяевх ЮД Дронову П.В.. Прядеину В.А. за постоянную поддержку и участие в этих работах, к.ф.-м,. Савельеву И.И. за предоставленные материалы и обсуждение результатов.

Список публикаций по теме диссертации.

: 1.: Ю.Ю. Колбасу З.С. Менакер. В.П.Самойлов. Г.Н.Телегин Навигационные системы на баз лазерных гироскопов для проходческих и буровых работ. Метро. .\г1. 1905.

2,, Ю.Ю. Колбас, З.С. Менакер. Г.И.Телепш. Навигационные системы на базе лазегны. гироскопов для проходческих и буровых работ. Механизация строительства. №7. 199?.

3. Ю.Ю. Колбас. З.С. Менакер. В.Н.Минаев. Г.И.Телегин. Устройство автоматически управления движением продавливаемого трубопровода. Патент РФЛ% 95013563 0 - 1994

Ю.Ю. Колбас. З.С. Менакер. В.П. Самойлов. Г.П. Телепш, В.В. Неретин, В.П. Самойлов. > стройство лля определения углового положения проходческого шита. Патент РФ № 5054200 03.

•ый

5- Ю.Ю. Колбас. Телегин Г.И.. С.Г. Скроцкий. А.Б. Колчев. Статический лазерн гирокомпас. Гироекопия и-навигация .Vsl (S). 1995.

6. Ю.Ю. Колбас. Г.П.Телегин, С.Г. Скроцкий, В.П. Самоплов Применение лазерных гироскопических систем при проведении подземных работ. Гироекопия и навигация №1 | S), 1995.

7. 10. Голяев. А. Исаев. Ю. Колбас, С. Лантратов, В. Минзар, Г. Телегин. Гирокомпас на основе лазерного гироскопа с магнитооптическим управлением. Электроника, .VsS, 2006.

S. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, А.П. Рассказов. Аппроксимация воспроизводимых временных и температурных зависимостей смешения нуля кольцевого лазера. Электронная техника, серия 11. вып. 2(58). 1991.

9. В.Г. Дмитриев, Ю.Д. Голяев, Ю.А. Винокуров, Ю.Ю. Колбас, Н.В. Тихменев Лазерный гироскоп повышенной точности. Материалы 15 Международной конференции по интегрированным навигационным системам. С. Петербург. 2008.

Ю. Ю.Д. Голяев. Ю.Ю. Колбас, К.А.Толстенко, О.Н. Найда. A.B. Чубарь Способ создания знакопеременной частотной подставки в кольцевом лазере. Авторское свидетельство № 1533599 Гос. Реестр СССР. 19S9

П. Ю.Д. Голяев. Ю.Ю. Колбас. Н.В. Тихменев, H.H. Хохлов. Исследование влияния крутизны фронтов и шумов прямоугольной периодической подставки на частотную характеристику кольцевого лазера. Электронная техника, серия 11. вып. 4(40). 1986.

12. Ю.Д. Голяев. Ю.Ю. Колбас. Г.И. Телепш. Нестабильность и нелинейность выходных характеристик волоконно- кольцевых интерферометров. Квантовая электроника,Л»1. 1990г.

13. Ю.Д. Голяев. В.Г. Дмитриев, Ю.Ю. Колбас. Г.П. Телепш, Кольцевой интерферометр. Авторское свидетельство № 158S077 Гос. Реестр СССР. 1994

14. Ю.Д. Голяев. Ю.Ю. Колбас. Г.П. Телепш Кольцевой лазер. Авторское свидетельство № 1632319 Гос. Реестр СССР. 1990

15. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Т.И.Соловьева, Б.Т.Мешеряков. Способ определения масштабного коэффициента кольцевого лазера. Патент РФ.\о 1797432. 1993.

16- Ю.Д. Голяев. Ю.Ю. Колбас Ошибка дискретности выходного сигнала кольцевого лазера с периодической подставкой. ЖТФ. т. 17. s.S. 1991.

17. Ю.Д. Голяев. В.Г. Дмитриев. A.A. Казаков. Ю.Ю. Колбас, М.М. Назаренко. Н.В. Тихменев. А.И. Якушев. Способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом. Патент РФ .N¡>2408844. от 10.01.2011 г.. с приоритетом от 07.10.2010 г.

1S. Голяев Ю.Д.. Дмитриев В.Г.. Казаков A.A., Колбас Ю.Ю.,Назаренко М.М.. Тихменев Н.В.. Якушев А.П. Патент РФ ЖМ08844. 2011.

19. Винокуров Ю.А.. Голяев Ю.Д, Дмитриев В.Г.. Казаков А.А.. Колбас Ю.Ю.. Тих.м Н.В.. Якушев A.M. Патент РФ №2418266, 2011.

Подписано в печать 24.10.20! 1

Тираж 100 зк2 Заказ ЗС33

Отпечатано на множительной базе

ФГУП ..НИИ «Полюс», им. М.Ф. Стельна«.. 112342. г. Москва, ул. Введенского. л.З

.:'" " : Стр.

Введение

Глава 1. Функциональная схема и принцип работы гирокомпаса на основе зеемановского кольцевого лазера.

§ 1.1 Функциональная схема гирокомпаса.

§1.2 Алгоритм работы гирокомпаса.

§1.3 Определение предварительного азимута.

§1.4 Определение точного азимута.

Глава 2. Модель ошибок гирокомпаса с использованием зеемановского кольцевого лазера.

§ 2.1 Источники ошибок гирокомпаса;

§ 2.2 Ошибка, связанная с дрейфом лазерного гирокомпаса.

Вывод формул и количественная оценка;

§ 2.3 Ошибки, связанные с определением точки стояния и нестабильностями базовых плоскостей гирокомпаса. Вывод формул и количественная оценка.

§ 2.4 Ошибка, связанная с определением углов к плоскости горизонта.

Вывод формул и количественная оценка:

Глава 3. Физические причины ошибок и методы их устранения или компенсации.

§ 3.1 Физические причины дрейфа лазерного гироскопа с зеемановским кольцевым лазером в режиме реверса мод генерации; Выбор оптимальной схемы и алгоритма температурной коррекции.

§ 3.2 Физические причины изменения положений базовых поверхностей.

Выбор оптимальной схемы и алгоритма температурной коррекции.

§ 3.3 Физические причины ошибок определения;углов к плоскости горизонта.

Выбор оптимальной схемы и алгоритма температурной коррекции.

§ 3.4 Сравнение с экспериментальными результатами и количественная оценка предельно достижимой технической точности статического гирокомпаса с использованием зеемановского кольцевого лазера.

Глава 4. Конструкция лазерного гирокомпаса ЛГК-4 и результаты ее испытаний.

§ 4.1 Описание конструкции лазерного гирокомпаса ЛГК-4.

§ 4.2 Программное обеспечение лазерного гирокомпаса ЛГК-4.

§ 4.3 Результаты испытаний лазерного гирокомпаса ЛГК-4 при повышенных и пониженных температурах окружающей среды.

§ 4.4 Результаты испытаний лазерного гирокомпаса ЛГК-4 при механических ударах и вибрациях.

§ 4.5 Результаты испытаний лазерного гирокомпаса ЛГК-4 при отличных от 61 нуля наклонах измерительной оси прибора к плоскости местного горизонта.

§4.6 Результаты практической эксплуатации ЛГК-4 в составе дальномера 61 целеуказателя.

В исторической ретроспективе инструменты для определения азимута - т.е. направления на Север (или Юг) претерпели ряд инновационных изменений. Начавшись с простых наблюдений за природными объектами (включая наблюдения. за положениями звезд и Солнца) в 15 веке они привели к широкому распространению среди навигаторов магнитных компасов, которые до начала 20 века были единственным автономным прибором для измерения азимута. К сожалению, магнитные компасы неустойчиво работают в условиях магнитных аномалий, механических вибраций, климатических воздействий. Само магнитное склонение, т.е. угол между направлениями на магнитный и истинный полюса Земли, не является постоянным, что требует, постоянного обновления карт и точного знания точки стояния. Использование магнитных компасов на объектах, содержащих ферромагнетики, требует учета девиации магнитного поля, величина которой сильно зависит от ориентации самого объекта в магнитном поле Земли. В настоящее время лучшие образцы магнитных компасов обеспечивают точность не лучше 1,5° при отсутствии магнитных аномалий.

В начале 20-го века появился альтернативный способ измерения азимута при помощи гироскопов. Этот метод основан на использовании вектора высокостабильной угловой скорости вращения Земли как репера направления непосредственно на Север или Юг. Для этого используются механические гироскопы с двумя степенями свободы и смещенным центром тяжести [1,2] или снабженных датчиками уровня, по показаниям которых ось вращения гироскопа удерживается в плоскости местного горизонта [3].

С появлением в 70-х годах прошлого века бесплатформенных инерциальных систем (БИНС) их начальная выставка, в которую входит определение азимута и углов наклона к плоскости местного горизонта стала производиться путем измерения проекций угловой скорости вращения Земли и ускорения силы тяжести на измерительные оси датчиков угловой скорости (ДУС) и акселерометров [4.7]. С развитием лазерных гироскопов (лазерных ДУС) и достижением ими точности 0,01°/ч появились идеи создания лазерных гирокомпасов:

Первые схемы гирокомпасов на лазерных гироскопах были предложены в начале 70-х годов 20 в. [8. 12]. В этих работах был предложен динамический метод измерения азимута, а именно непрерывное измерение показаний лазерного гироскопа, ось чувствительности которого непрерывно вращается в горизонтальной плоскости. Очевидно, что в моменты нулевых показаний ось чувствительности гироскопа направлена либо на запад, либо: на восток. Полуразность между максимальным и минимальным показаниями позволяет определить дрейф гироскопа и тем самым парировать его влияние на точность измерения.

Однако в реальных разработках гирокомпасов данный; метод не нашел применения. Основной причиной неконкурентоспособности первых лазерных статических гирокомпасов были их большие габариты и малый срок службы.при невысокой точности — не лучше 10'.

Результаты работ по созданию лазерных гирокомпасов, были обобщены в книге [13]. В ней же был изучен метод реверса оси чувствительности как основной способ компенсации невоспроизводимости дрейфа лазерных^ гироскопов,, а также предложена модель ошибок такого гирокомпаса.

Следующий? этап исследований лазерных гирокомпасов начался в первой? половины 90-х годов 20 в. и был связан; с успехами: создания; малогабаритных точных лазерных гироскопов как; с вибрационной, так; ш магнитооптической подставками; В работах [13, 14] былшрассмотрены схемы построения гирокомпаса на;лазерном?гироскопе с вибрационнойшодставкой и построена математическая модель его работы и вычислены ошибки. Примерно в это же время были проведены наши исследования в отношении; гирокомпасов^ на гироскопах, с магнитооптической; подставкой [14.20]. Эти работы привели к созданию ряда;гирокомпасов: 9А184, ЛГК-4. Одновременно ведутся работы по созданию; статических гирокомпасов на основе иных датчиков угловой скорости-механических и;волоконных [21,22].

Настоящая работа посвящена исследованию гирокомпаса с лазерным гироскопом с магнитооптической частотной подставкой, а именно с использованием эффекта Зеемана;

Предлагается использование схемы, состоящей из лазерного гироскопа и двух акселерометров? (или уровня;, представляющего те же акселерометры, но разомкнутого типа), расположенных на поворотной платформе, имеющей 16 точных фиксированных положений, угол между которыми составляет 27,5°. Процесс измерения распадается на 2 этапа. Вначале поворотная платформа устанавливает гироскоп измерительной осью в направлении, азимут которого нужно измерить, затем поворачивается на угол 90° по часовой стрелке. По показаниям гироскопа и акселерометров в этих положениях производится предварительный расчет наклонов платформы к плоскости местного горизонта и азимута выбранного направления. По измеренному предварительному азимуту определяется; в каком из 16 положений платформы направление измерительной гироскопа будет ближе всего к Востоку или Западу. После чего производится 3 последовательных измерения показаний гироскопа и акселерометров в выбранном и отстоящем от него на 180° положениях.

Затем производится расчет точных значений углов наклона платформы и азимута. Такой метод, в сочетании с тем, что каждое измерение гироскопа производится на двух ортогональных модах генерации, позволяет исключить из общей ошибки гирокомпасирования:

- магнитную составляющую дрейфа гироскопа,

- постоянную и линейную от времени немагнитную составляющую дрейфа гироскопа,

- смещение нуля акселерометров;

- непараллельность измерительных осей акселерометров и гироскопа и плоскости вращения платформы;

- небольшие изменения масштабного коэффициента гироскопа;

Однако ряд факторов, влияющих на ошибку измерения азимута остается и требует учета.

К ним относятся:

- угол между измерительной осью гироскопа и осью гирокомпаса в плоскости основания гирокомпаса;

- углы между плоскостью вращения платформы и плоскостью основания гирокомпаса;

- нелинейная от времени немагнитная составляющая дрейфа гироскопа;

- изменения от времени смещения нулей акселерометров;

- изменения масштабных коэффициентов акселерометров.

- Заключение

Как показывает проведенное исследование, зеемановский гироскоп может быть использован для определения азимута избранного направления. Оптимальная схема предполагает применение одного лазерного гироскопа и двух акселерометров, переключение поляризации мод генерации и реверс осей чувствительности гироскопов и акселерометров, причем должно быть проведено 3 непрерывных измерения в двух противоположных положениях. Данное решение обеспечивает компенсацию магнитной и большую часть немагнитной составляющих дрейфа гироскопа, а также компенсацию смещений нулей акселерометров.

Выделено 4 независимых составляющих ошибки гирокомпасирования для предложенной схемы гироскопа. Рассмотрены физические причины и выведены аналитические формулы для расчета каждой из них. Показано, что основной вклад в ошибку вносит немагнитный дрейф гироскопа, прежде всего явление захвата (90% ошибки). 9% в данную составляющую вносит величина дискрета и пренебрежимо малое значение для зеемановского лазерного гироскопа имеет изменение масштабного коэффициента. Рассмотрение т.н. квазинемагнитных дрейфов показало, что предложенная схема измерения при выборе оптимального времени интегрирования позволяет практически полностью компенсировать влияние нестабильностей электронных блоков -БЧП, СРП, БСТ и источника питания. Показано, что с использованием современной цифровой техники можно существенно уменьшить влияние захвата на измерение малых угловых скоростей и тем самым приблизить ошибку гироскопа к квантовому порогу.

Вторым по значению является неточность определения наклонов, связанная с температурным дрейфом нуля акселерометров и ошибке определения угла между ними. Показано, что существует оптимальное время интегрирования, при котором эта ошибка минимальна и важным становится точность реверса осей чувствительности гироскопа и акселерометров.

Установлено, что вклад четвертой составляющей- точности определения широты местонахождения пренебрежимо мал даже при использовании самых широко распространенных бытовых спутниковых приемников.

Проведенные эксперименты с прибором ЛГК-4 показали правильность сделанных выкладок и использованных предположений и формул.

Также была проведена оценка предельно достижимой точности, которая показала возможность построения прецизионного гирокомпаса (предельная ошибка определения азимута менее 1') при обеспечении достаточно малого времени измерения (до 10 мин.).

В соответствие с разработанной конструкцией и алгоритмом был созданы опытные образцы лазерного гирокомпаса ЛГК-4 и проведены их многочисленные температурные, механические испытания, а также опытная эксплуатация в полевых условиях. Результаты показали нечувствительность разработанного прибора к температурным, механическим воздействиям, а также возможность работы без горизонтирования гирокомпаса. Во всех случаях ошибка определения азимута с точностью до ошибки эксперимента не превышала расчетную.

В заключении хочу выразить благодарность руководителю работы к.ф.-м. н., с.н.с. Голяеву Ю.Д., Дронову И.В., д.т.н. Прядеину В.А. за постоянную поддержку и участие в этих работах, к.ф.-м.н., доценту Савельеву И.И. за предоставленные материалы и обсуждение результатов.

1. Г.В. Щипанов. Гироскопические приборы слепого полета. М., Л., Государственное издательство оборонной промышленности, 1938.

2. В.П: Данилин. Гироскопические приборы, М., Высшая школа, 1965.

3. Э.Дж. Сифф, К.Л. Эммерич. Введение в гироскопию. М:, Машиностроение, 1965.

4. G.G. Ривкин, 3.M. Берман, И.М. Окон. Определение параметров ориентации объекта бесплатформенной инерциальной системой. С.-П., ЦНИИ «Электроприбор», 1996.

5. А. Липтон. Выставка инерциальных систем на подвижном, основании. М., Наука, 1971.

6. А; А. Дмитроченко, В.И: Лопатин. Особенности алгоритмов бесплатформенных инерциальных навигационных систем: В кн. Вопросы управления космическими аппаратами. Под ред. Б.Н. Петрова, М., Мир, 1975.

7. Брамберг П.В. Теория инерциальных систем навигации, -М. Наука, 19798; Y. Gatherin, В. Dessus Traveling wave laser gyrocompass. IEEE GE-4, 1967, p.449. .■ .

8. А1Д; Богданов. Гироскопы на лазерах. M. Воениздат. 1973.

9. С.И. Бычков, Д.П. Лукьянов, А.И: Бакаляр. Лазерный гироскоп. М., Сов. Радио, 1975.

10. Г.М. Кузнецов, М.А. Сергеев, В.В. Эймбке. Об определении азимута лазерным гироскопом. Изв. ВУЗов. Приборостроение. Т. 19, №6, 1976

11. В:Е. Привалов Газоразрядные лазеры в судовых измерительных комплексах, Л., Судостроение,, 1977 г.

12. В.Е. Привалов Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах, Л:, Судостроение, 1989.

13. В.В; Серегин, P.M. Кукуев. Лазерные гирометры и их применение. М., Машиностроение, 1990.

14. Ю.Ю. Колбас, З.С. Менакер, В.П.Самойлов, Г.И.Телегин Навигационные системы на базе лазерных гироскопов для проходческих и буровых работ. Метро, №1, 1993.

15. Ю.Ю. Колбас, З.С. Менакер, Г.И.Телегин. Навигационные системы на базе---лазерных гироскопов-для проходческих- и буровых -работ. Механизациястроительства, №7, 1993.

16. Ю.Ю. Колбас, З.С. Менакер, В.И.Минаев, Г.И.Телегин. Устройство автоматического управления движением продавливаемого трубопровода. Патент РФ № 93013563/03, 1994.

17. Ю.Ю. Колбас, З.С. Менакер, В.П. Самойлов, Г.И. Телегин, В.В. Неретин, В.П. Самойлов. Устройство для определения углового положения проходческого щита. Патент РФ № 5054200/03, 1994.

18. Ю.Ю. Колбас, Телегин Г.И., С.Г. Скроцкий, А.Б. Колчев. Статический лазерный гирокомпас. Гироскопия и навигация №1 (8), 1995.

19. Ю.Ю. Колбас, Г.И.Телегин, С.Г. Скроцкий, В.П. Самойлов Применение лазерных гироскопических систем при проведении подземных работ. Гироскопия и навигация №1 (8), 1995.

20. B.C. Ермаков, А.Г. Максимов, В.Ф. Крупнов, И.А. Дедок "О применениии модуляционного гироскопа в судовом гирокомпасе". IX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. С.-Пб., 2002.

21. И. Патюрель. Волоконно- оптические гироскопы фирмы IXSEA и системы на их основе. Гироскопия и навигация, №3, 2004.

22. Ю. Голяев, А. Исаев, Ю. Колбас, С. Лантратов, В. Минзар, Г. Телегин. Гирокомпас на основе лазерного гироскопа с магнитооптическим управлением. Электроника, №8, 2006.

23. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, А.П.Рассказов. Аппроксимация воспроизводимых временных и температурных зависимостей смещения нуля кольцевого лазера. Электронная техника, серия 11, вып. 2(58), 1991.

24. В.Г. Дмитриев, Ю.Д. Голяев, Ю.А. Винокуров, Ю.Ю. Колбас, Н.В. Тихменев Лазерный гироскоп повышенной точности. Материалы 15 Международной конференции по интегрированным навигационным системам. С. Петербург, 2008.

25. В.Н. Харисов, А.И. Петров, В.А. Болдин. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.ИПРЖР, 1999.

26. Ф. Ароновиц. Лазерный гироскоп. В кн. Применение лазеров, под ред. В.П. Тычинского. М., Мир, 1974.

27. Волновые и флуктуационные процессы в- лазерах. Под. Ред. Ю.Л. Клймантбвича. М., Наука, 1974. -

28. А.Б. Колчев, П.Б. Ларионов, A.A. Фомичев. Исследование тепловых дрейфов лазерного гироскопа с магнитооптической частотной подставкой. Исследовано в России, 2006, с. 2388.2397.

29. В.Н. Курятов, П.С. Ланда, Е.Г. Ларионцев. Частотные характеристики кольцевого лазера на колеблющейся подставке. Изв. Вузов, Сер. Радиофизика, 1968, т. 11, с. 1839.

30. И.М. Хошев. К теории кольцевого лазера со знакопеременной частотной подставкой. Квантовая электроника, 1980, т.7, №5, с. 953.

31. Голяев Ю.Д., Ю.Ю. Колбас, Толстенко К.А., Найда О.Н., Чубарь A.B. Способ создания знакопеременной частотной подставки в кольцевом лазере. Авторское свидетельство № 1533599 Гос. Реестр СССР, 1989

32. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Н.В. Тихменев, Н.И. Хохлов. Исследование влияния крутизны фронтов и шумов прямоугольной периодической подставки на частотную характеристику кольцевого лазера. Электронная техника, серия 11, вып. 4(40), 1986.

33. Ю.Д. Голяев, К.А Толстенко., O.IT. Найда, A.B. Чубарь. О десинхронизирующем эффекте различных видов шумовых компонент прямоугольной периодической частотной подставки. Электронная техника, серия И, вып. 4(52), 1989.

34. A.M. Хромых. Динамическая характеристика кольцевых лазеров с периодической частотной подставкой. Электронная техника, с. 11 -Лазерная техника и оптоэлектроника, 1990, в.1(53).

35. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Г.И. Телегин. Нестабильность и нелинейность выходных характеристик волоконно- кольцевых интерферометров. Квантовая электроника, 17, №1, 1990г.

36. Ю.Д. Голяев, В.Г. Дмитриев, Ю.Ю. Колбас, Г.И. Телегин. Кольцевой интерферометр. Авторское свидетельство № 1588077 Гос. Реестр СССР, 1994

37. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Г.И. Телегин Кольцевой лазер. Авторское свидетельство № 1632319 Гос. Реестр СССР, 1990

38. Ю.Д. Голяев, К.А Толстенко, Г.И. Телегин, С.О. Яременко. Случайная ошибка кольцевого лазера со знакопеременной частотной подставкой и шумовым десинхронизирующим сигналом. Электронная техника, с. 11 -Лазерная техника и оптоэлектроника, в.4(56), 1990

39. В.В. Азарова, Ю.Д. Голяев, В.Г. Дмитриев. Кольцевые газовые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии. Квантовая электроника, 30, №2, 2000, с.96-104.

40. A.M. Хромых, А.И. Якушев. Влияние пленения резонансного излучения на эффект Зеемана в кольцевом лазере. Квантовая электроника, 1977, т.4 №1.

41. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас, Т.И.Соловьева, Б.Т.Мещеряков. Способ определения масштабного коэффициента кольцевого лазера. Патент РФ№ 1797432, 1993.

42. Акселерометр кварцевый АК-6. Сайт ОАО «Серпуховский завод «Металлист», www.szmetallist.ru.

43. Акселерометр капиллярный АК5-50М. Сайт ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА». www.temp-avia.ru.

44. Асе Б. А., Антипов Е. Ф., Жукова Н. М. Детали авиационных приборов. М.: Машиностроение, 1979

45. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас Использование кольцевых лазеров для измерениянаправлений на полюса вращения Земли. Квантовая электроника, 2011 г. В печати.

46. Ю.Д. Голяев, Ю.Ю. Колбас Ошибка дискретности выходного сигнала кольцевого лазера с периодической подставкой. ЖТФ, т. 17, в.8, 1991.

47. Ю.Д. Голяев, В.Г. Дмитриев, A.A. Казаков, Ю.Ю. Колбас, М.М. Назаренко, Н.В. Тихменев, А.И. Якушев. Способ измерения угловых перемещений лазерным гироскопом. Патент РФ №2408844, 2011 г.

48. Отчет по НИР "Феникс". ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха. М., 2006.

49. Отчет по ОКР "Куплет-А"." ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха. М., 1993.