автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование методов уменьшения влияния зоны синхронизации на работу лазерного гироскопа

Введение.

Глава 1. Анализ основных составляющих погрешностей лазерного гироскопа и исследование путей повышения точности.

1.1. Обзор инерциальных навигационных систем.

1.2. Основные типы гироскопов, используемые в БИНС.

1.3. Принцип действия лазерного гироскопа.

1.4. Оценка основных погрешностей лазерного гироскопа и методы борьбы с ними.

Глава 2. Исследование влияния зоны захвата.

2.1. Методы смещения рабочей точки на характеристике лазерного гироскопа.

2.2. Особенности работы вибрационной частотной подставки в лазерном гироскопе.

2.3. Исследование амплитуды Бесселя для компенсации зоны захвата.

Глава 3. Лазерный гироскоп с обратной связью.

3.1. Математическая модель лазерного гироскопа с обратной связью.

3.2. Разработка алгоритма подачи обратной связи.

3.3. Математическая модель лазерного гироскопа с обратной связью и колебательным звеном.

3.4. Исследование условий обнуления интегратора для ЛГ с обратной связью.

Развитие авиационной, ракетной и космической техники сопровождается постоянным совершенствованием автономных инерциальных навигационных систем (ИНС), определение координат летательного аппарата, в которых осуществляется цифровыми вычислительными устройствами по сигналам от датчиков первичной информации - акселерометров и гироскопов. Помимо этой задачи ИНС поставляет информацию об углах крена, тангажа, рыскания и скорости объекта.

Традиционные инерциальные системы с гиростабилизированной платформой отличаются значительной массой, габаритами и стоимостью. Успехи микроэлектроники, позволившие существенно повысить быстродействие и надежность вычислительных устройств, привели к развитию бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), использующих чувствительные датчики на новых физических принципах.

Среди таких приборов следует выделить лазерные гироскопы (ЛГ), которые благодаря отсутствию вращающейся инерционной массы, дискретной форме выходного сигнала и ряду других достоинств делают возможным создание сравнительно недорогих, надежных, точных и компактных БИНС. По точности масштабного коэффициента кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ) превосходит вращающийся роторный гироскоп от пяти до десяти раз [1].

На сегодняшний день, ведущие мировые фирмы выпускают лазерные гироскопы, имеющие точность не хуже 0.005°/час. Например, лазерные гироскопы GG1342 фирмы Honeywell Inc., входящие в систему Titan IV Guidance Control Unit (GCU) [2].

Фирма Litton выпускает инерциальные навигационные системы (ИНС) семейства LN-100. В этих системах используются бесподставочные гироскопы второго поколения Zero-Lock™ Laser [ZLG™] gyro, акселерометры A-4 TRIAD. Статистическая обработка измерений осуществляется в них с использованием модифицированного фильтра Кальмана [3]. В настоящее время LN-100 уста4 навливается на вертолеты RAH-66 Commanche, истребители F-22, ракеты Pegasus и т.д. [4].

Для обеспечения устойчивой работы оптического генератора необходимо иметь зеркала с высокой отражающей способностью. Практика применения ЛГ показала, что каиество зеркал в основном и определяет точность прибора. Потери излучения в зеркале за счет обратного рассеивания на микродефектах и потери энергии в материале зеркала приводят к увеличению зоны синхронизации («захвата») и срыву генерации. Высокие отражающие свойства зеркала достигаются прецизионной полировкой подложек зеркал (шероховатость поверхности менее 0.001 мкм) и многослойным напылением, так называемого интерференционного покрытия. Это покрытие состоит из чередующихся слоев материалов с высоким и низким коэффициентом преломления. Толщина одного слоя -0.15 мкм (четверть длины волны лазера). Для замыкания лучей по оптическому контуру необходимо выдерживать углы посадки зеркал с точностью 5 угловых сек. Кроме больших материальных затрат, существуют технические трудности не позволяющие постоянно увеличить отражающую способность зеркал. В связи с этим значительно повысить точность ЛГ технологическими методами на сегодняшний день затруднительно.

Традиционно самым простым способом уменьшения влияния зоны захвата является использование вибрационной частотной подставки (ВЧП). Принцип ее работы основан на смещении рабочей точки на выходной характеристике ЛГ путем создания крутильных колебаний оптического резонатора так, чтобы суммарная скорость вращения значительно превосходила пороговую скорость захвата. Основным достоинством метода является его относительная простота, обусловленная отсутствием в резонаторе невзаимных элементов.

Использование постоянной частотной подставки не компенсирует влияние зоны захвата в достаточной степени, вместо статической зоны захвата появляется динамическая, периодически возникающая с ростом измеряемой скорости. 5

Одним из способов дальнейшего снижения зоны захвата является амплитудная модуляция колебаний резонатора квази-случайной периодической функцией (ошумление ВЧП). Модулирующая функция выбирается таким образом, что амплитуды колебаний оказываются нормально распределенными, а их автокорреляционная функция быстро затухает.

Следует отметить, что параметры как самой ВЧП, так и ее ошумления обычно выбираются на практике опытным путем. Такой чисто эмпирический путь проектирования не может обеспечить достижения оптимальных результатов и применяется только потому, что до сих пор не разработана теория работы лазерного гироскопа в режиме вибрационной частотной подставки со случайным ошумлением.

Главным недостатком ВЧП является погрешность, вызванная зоной захвата и возникающая при прохождении резонатором в процессе колебаний зоны малых скоростей. При постоянной по амплитуде и частоте частотной подставке эти погрешности приводят к постоянному дрейфу, зависящему от измеряемой скорости, а при ошумлении - к случайным погрешностям, близким к белому шуму.

Интегрирование выходного сигнала ЛГ приводит к накоплению ошибок, которые определяют, в конечном счете, точность прибора.

В настоящее время единственным способом борьбы с такой погрешностью является увеличение времени наблюдения. При этом ошибка измерения скорости уменьшается пропорционально корню квадратному из времени. Поэтому задача поиска альтернативных путей управления работой ЛГ с целью компенсации влияния зоны захвата и уменьшения шумовой составляющей погрешности ЛГ, не требующих увеличения времени измерения является актуальной. Решение поставленной задачи позволит уменьшить время готовности инерциальных систем, повысить быстродействие лазерных компасов и т.д. с одновременным повышением точности приборов. б

Цель работы. Исследование влияния зоны захвата на работу ЛГ. Разработка новых методов повышения точности ЛГ. Проектирование лазерного гироскопа с обратной связью.

Задачи исследования:

- анализ основных погрешностей, влияющих на работу лазерного гироскопа, и создание новых методов направленных на их устранение;

- разработка математической модели лазерного гироскопа в режиме ошумленной вибрационной частотной подставки с различными параметрами;

- обоснование идеологии и разработка структурной схемы лазерного гироскопа нового типа - ЛГ с отрицательной обратной связью (ООС), в котором при помощи пробного сигнала определяется отклонение амплитуды ВЧП от значения амплитуды Бесселя, а также исключается влияние зоны захвата за период колебания подставки;

- разработка математических моделей, позволяющих проводить моделирование динамики работы ЛГ с обратной связью;

- выработка рекомендаций по проектированию лазерного гироскопа с обратной связью на базе полученных моделей и алгоритмов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе применены численные методы исследования, основанные на аппарате теории колебаний, методах оптимизации, а также экспериментальные исследования макетных и опытных образцов лазерных гироскопов. Программный комплекс реализован на языках Turbo Pascal и Assembler с использованием систем Mathcad Professional, Microsoft Excel и Turbo Professional.

Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:

- проведено исследование работы ЛГ с амплитудой Бесселя и эмпирически найдено ее значение для гироскопа «Гранат 1»;

- создана математическая модель ЛГ с ошумленной ВЧП;

- предложен алгоритм ошумления частотной подставки;

- впервые предложена и исследована математическая модель лазерного гироскопа с обратной связью; 7

- исследованы условия обнуления интегратора для ЛГ с обратной связью и выработаны практические рекомендации;

Практическая ценность работы заключается в разработке математической модели лазерного гироскопа с ООС, позволяющей исследовать влияние зоны захвата, и соответственно повысить точность при существующем уровне технологии изготовления ЛГ. Лазерный гироскоп с обратной связью позволит значительно уменьшить время, затрачиваемое на проведение начальной выставки БИНС и гирокомпаса. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены конструктивные и технологические решения, повышающие эффективность работы ЛГ, а также возможные направления его дальнейшего совершенствования. Результаты проведенных исследований, базирующиеся на классической теории лазерных гироскопов, подтвердили корректность разработанных моделей, методов и алгоритмов.

Апробация работы. Материалы, представленные в данной диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях:

XXIII Гагаринские чтения (Москва 1997), Чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского (Москва, 1998); Всероссийской научно-техническая конференции, посвященная 30-летию Арзамасского филиала НГТУ (Арзамас 1998); международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта 1998).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в восьми печатных работах и техническом отчете, выпущенным в МИЭиА в 2000 г.

С 1999 года ряд, опубликованных статей автора и основные положения диссертации (на русском и английском языках) постоянно доступны для свободного пользования в Internet по адресу http://www. geocities.com/sergeilin.

Автор выражает глубокую признательность одному из основоположников отечественной лазерной гироскопии, научному консультанту, ведущему научному сотруднику МИЭиА, к.т.н. Ефимову Б.В.; профессору 8

МАИ, д.т.н. Гордееву, а также научному руководителю профессору МАИ, к.т.н. Соболеву В.И.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 161 страницах и иллюстрированных 63 рисунками и 12 таблицами, а также списка литературы из 92 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В результате проведенных в рамках данной диссертационной работы исследований получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ основных составляющих погрешностей лазерного гироскопа. Показано, что наиболее ощутимое влияние на работу лазерного гироскопа оказывает наличие зоны «синхронизации» оптических генераторов.

2. Разработана математическая модель лазерного гироскопа со случайной вибрационной частотной подставкой. Показано, что при наличии частотной подставки, влияние захвата проявляется, в основном, при малых угловых скоростях, т.е. при максимальных отклонениях резонатора от положения равновесия. В рамках предложенной математической модели намечены дальнейшие пути исследований с целью создания новых алгоритмов ошум-ления вибрационной частотной подставки.

3. Для гироскопа «Гранат-1», разработанного в МИЭиА, определены эмпирические значения амплитуды Бесселя. Показано, что поддержание амплитуды Бесселя с точностью 0.01% от ее номинального значения позволяет измерять скорости порядка 0.0001 °/час. Однако держать амплитуду подставки с такой точностью не представляется возможным, к тому же крутизна выходной характеристики не соответствует номинальной.

4. Создана математическая модель лазерного гироскопа с обратной связью с учетом динамики вибрационной частотной подставки. Произведена оценка выходных характеристик ЛГ с обратной связью при последовательном приближении амплитуды частотной подставки к амплитуде Бесселя. Предложен критерий определения пространственного положения системы относительно нулевой разности фаз встречных волн. Рассмотрены различные алгоритмы

154 подачи обратной связи, исследованы параметры функции обнуления интегратора и определены основные коэффициенты.

5. Предложена математическая модель лазерного гироскопа нового типа, в котором при помощи пробного сигнала определяется отклонение амплитуды от значения амплитуды Бесселя, а так же исключается влияние зоны захвата за период колебаний. При помощи системы автоматического регулирования амплитуды колебаний и мгновенной разности фаз между встречными волнами осуществляется режим, при котором влияние захвата самокомпенсируется. Таким образом, существенно повышается точность измерений угловой скорости при существующем уровне технологии.

6. В ЛГ с ООС исключена ошибка вычета вибрационной частотной подставки из выходного сигнала лазерного гироскопа; уменьшена шумовая составляющая, вызванная влиянием зоны захвата; повышена разрешающая способность прибора до долей угловой секунды, при этом значительно уменьшено время начальной выставки инерциальной навигационной системы до 1 секунды. В БИНС все три ЛГ будут работать на одной частоте с амплитудой подставки порядка одной угловой секунды вместо 120;/, вследствие этого снижается их влияние друг на друга. В перспективе ДУС и частотная подставка могут быть исключены.

7. Создана структурная схема и выработаны практические рекомендации по проектированию и конструкции лазерного гироскопа с обратной связью на базе полученных моделей и алгоритмов. Данная работа включена в план ин-сгмута ЫИЭыА.

8. Математическое моделирование проводилось применительно к прибору «Гранат-1», разработанного в МИЭиА, при этом результаты, полученные в данной работе, могут быть распространены на гироскопы имеющие другую конфигурацию.

155

1. Carby R.D., MC-Cammou I (. Dither controller for ring laser angular rotation sensor // Patent Number №4597667. 1986.

2. Pitman G. Inertial navigation. New York: Wiliey, 1962.

3. Селезнев В.П. Навигационные устройства. М.: Машиностроение, 1974.

4. Помыкаев И.И., Селезнев В.П., Дмитроченко JT.A. Навигационные приборы и ситемы. М.: Машиностроение, 1983.

5. Курицки М.М., Голдстайн М.С. Инерциальная навигация // Глобальные навигационные системы. 1983. — Том 71.

6. Деист Дж., Уомбл Дж. Революция в разработке усовершенствованных систем наведения // Аэрокосмическая техника 1991. - №4.

7. Connelly J., Barbour N., Brand G. Manufacturing Micromechanical Inertial Sensor Systems // 4th Saint Petersburgs Inertial Conference on Integrated Navigation Systems. Saint Petersburg. - 1997.

8. И.Ачильдиев B.M., Дрофа В.Н. Комбинированный микромеханический вибрационный гироскоп акселерометр для инерциальных измерительных систем.// Космонавтика и ракетостроение - 1995 - № 5.156

9. Н.Мезенцев А.П., Доронин В.П., Новиков JI.3. и др. Основные проблемы создания инерциальных измерительных блоков на базе микромеханических гироскопов и акселерометров.// Навигация и гироскопия 1997 - № 1.

10. Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп. М.: Наука, 1985.

11. Шестов С.А. Гироскоп на земле в небесах, на море. М.: Знание, 1989.

12. Г7.Гринвуд А.А. Волоконно-оптические гироскопы. // Глобальные навигационные системы. 1983. - Том 71.

13. Ledebuhr A.G., Kordas J.F. Autonomus angle, micro-sattelites and supporting technologies for use in low-earth orbit// SS98-v.l~ The 12th annual Utah state university small satellite conference 1998.

14. Симпсон Дж. Г. Магниторезонансные гироскопы. // Глобальные навигационные системы. 1983. - Том 71.

15. Отчет по НИР, тема 1837, МИЭиА, 1980.

16. Лазеры в авиации / Гончаров И.Н., Дежин В.Н., Сидорин В.М. и др.; под ред. Сидорина В.М. М.: Воениздат, 1982.

17. Росс М. Лазерные приемники. -М., Мир, 1969.26. http://www.polvus.msk.ru

18. Применение лазеров / Под ред. Тычинского В.П. М., Мир, 1974.

19. Macek W. М., Davis D. Т. М. (Jr.), dithvis R. W., Schneider J. R., White G. R. Optical Masers, New.york, Polytech. Inst, of Brooklyn Press, 1963.

20. Басов H. Г., Беленов Э. M., Летохов В. С. «ДАН СССР», 1965, т. 10.

21. Бернштейн И. Л. «ДАН СССР», 1965, т. 163.31 .Бернштейн И. Л., Зайцев Ю. Н. «ЖЭТФ», 1965, т. 49, вып. 9.

22. Климонтович Ю. Л, Курятов В. Н., Ланда П. С. -«ЖЭТФ» 1967, т. 31, вып. 3.157

23. Желнов Б. Л., Казанцев А. П., Смирнов В. С. «ЖЭТФ», т. 50.

24. De Lang H.- „Appl. Phys. Lett.", 1966, v. 9.

25. Smith R. C.,'Wa Macek W. M. (1963) Unpublished observations.fkins L. S -"Proc. IEEE", 1962, v. 53.

26. Doyle W. M., White M. B. "J. Opt. Soc. Amer.", 1965, v. 55.

27. Рыбаков Б. В., СкулаченкоС. С., Чумичев Р. Ф., Юдин И. И. «Оптика и спектроскопия», 1968, т. 25.

28. Багаев С. Н., Троицкий Ю. В., Трошин Б. И,- «Оптика и спектроскопия», 1966, т. 21.

29. Hutchings Т. J., Winocur J., Zingery W. L., "5th Symp. Unconventional Inertial Sensors.", Brooklyn, Nav. Appl. Sei. Lab., 1969.

30. Macek W. M. (1963) Unpublished observations.

31. Catherin J. M., Dessus B. "IEEE J. Quantum Electron.", 1967, v. 3.

32. Thomson A. F. H., King P. G. R. "Electron Lett.". 1966, v. 2.

33. Killpatrick J. "IEEE Spectrum", 1967, v. 4.

34. Техническая документация на ЛГ-1.45.3ейгер С.Г., Климантович Ю.Л. и др. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах. Наука, Москва, 1974.

35. Ильин С.А. Принципы построения компьютерного справочника результатов теплофизических экспериментов. Доклад на Всероссийской молодежной научно-технической конференции ИНФОРМАЦИОННЫЕ КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ. Уфа, 1995.

36. Ильин С.А. Автоматизированная система контроля и регистрации технологических параметров экспериментальной аэродинамической установки. Доклад на XXII Гагаринских чтениях. Москва, 1996.

37. Ильин С.А. Исследование влияния зоны захвата на работу лазерного гироскопа. Доклад на XXIII Гагаринских чтениях. Москва, 1997.

38. Ефимов Б.В., Ильин С.А. Анализ поведения зоны захвата в ЛГ. Доклад на чтениях по авиации, посвященных памяти Н.Е. Жуковского. Москва, 1998.158

39. Гордеев A.A., Ефимов Б.В., Ильин С.А., Соболев В.И. Исследование зоны захвата лазерного гироскопа при различных амплитудах частотной подставки. Вестник МАИ. Работа принята в печать. 1999.

40. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования / Под ред. Солодовникова В.В. М., Машиностроение, 1969 - книга 3.

41. Приборостроение и средства автоматики. / Под ред. Гаврилова А.Н. М., Машиностроение, 1964 - том 2, книга 1.

42. Асс Б.А., Жукова Н.М., Антипов Е.Ф. Детали и узлы авиационных приборов и их расчеты. M Машиностроение, 1966.

43. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М. -Науака, 1989.

44. Ефимов Б.В., Ильин С.А., Соболев В.И. Исследование путей повышения точности при работе лазерного гироскопа. Доклад на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 30-летию Арзамасского филиала НГТУ. Арзамас 1998.

45. Ефимов Б.В., Ильин С.А., Соболев В.И. Лазерный гироскоп с обратной связью. Доклад на международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 1998.

46. Гордеев A.A., Ефимов Б.В. Ильин С.А., Соболев В.И. Математическая модель лазерного гироскопа с обратной связью. Работа принята в печать. 1999.

47. Ефимов Б.В., Ильин С.А. Методика компенсирования скорости захвата при работе лазерного гироскопа с обратной связью. Известия Тульского государственного университета. Работа принята в печать. 1999.

48. Скэнлон Jl. Персональные ЭВМ IBM PC и XT. Программирование на языке ассемблера: Пер. с англ. 2-е изд., М.: Радио и связь, 1991.

49. Справочник по процедурам и функциям Borland Pascal with Objects 7.0. -Киев: «Диалектика», 1993.

50. Справочник по процедурам и функциям Borland Pascal with Objects 7.0 Киев: «Диалектика», 1993.

51. Фаронов В.В. Практика Windows-программирования. М.: Информпечать,1996.

52. Фаронов В.В. Паскаль и Windows М.: Учебно-инженерный центр «МВТУ-ФЕСТО ДИДАКТИК», 1995.

53. Носач В.В. Решение задач апроксимации с помощью персональных компьютеров. -Бином, 1994.

54. Джордейн Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC XT и AT. М.: Финансы и статисика, 1992.

55. Курицкий Б.Я. Поиск оптимальных решений средствами Excel 7.0 СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1997.

56. Очков В.Ф. Mathcad 6.0 для студентов и инженеров. КомпьютерПресс, М., 1996.

57. F. Aronowitz «Optical Gyros and their application», Optical Gyros and their application, May 1999.

58. Трехосевой лазерный гироскоп ZLK-16-1. Рекламный проспект фирмы «Полюс», 1995.

59. Лазерный гироскоп Гранат-1. Рекламный проспект фирмы «Авиаприбор»,1997.

60. Н. de Lang, "Eigenstates of Polarization in Lasers,"Phillips Res. Repts 19, pp 429-440, 1964.

61. Smith and T. Dorschner, "Electromagnetic Wave Ring Resonator," U. S. Patent 4,110,045, October 1980.160

62. С. Н. Volk, S. С. Gillespie, J.G. Mark, D.A. Tazartes, «The Multioscillator Ring Laser Gyroscopes and their applications», Optical Gyros and their application, May 1999.

63. T. Dorschner and I. Smith, "Clear-Path Four-Frequency Resonators for Ring Laser Gyros," J. Opt. Soc. Amer; Vol 68, pp. 1381, 1978.

64. Smith and T. Dorschner, "Biasing the Raytheon Four-Frequency Ring Laser Gyroscope," Laser Inertial Rotation Sensors, SPIE vol 157, pp 21-29, 1978.

65. T. Dorschner, I. Smith, H. Statz, "A Manganese Bismuth Magnetic Mirror for the Raytheon Laser Gyroscope," Proc. IEEE 1978 National Aerospace and Electronics Conference pp. 569-573, 1978.

66. С. H. Volk, I. Longstaff, J. M. Canfield and S. C. Gillespie, "Litton's Second Generation Ring Laser Gyroscope," Proceedings of the 15th Annual Biennial Guidance Test Symposium, pp 493-502, 1991.

67. E. Post, "Sagnac Effect," Reviews of Modem Physics, vol 39 pp. 475-493,1967.

68. H. Statz, T A. Dorschner, M. Holtz, and I. W. Smith, "The Multioscillator Ring Laser Gyroscope," Laser Handbook, vol 4, North Holland Press, pp 229-332, 1985.

69. D. P. Loukianov «Laser and fiber-optic gyros: the status and tendencies of development», Optical Gyros and their application, May 1999.

70. Дьяконов В.П. Справочник no Mathcad PLUS 6.0. M.: «СК Прогресс», 1997

71. Научно-технический отчет о НИР «Разработка и исследование лазерного гироскопа Гранат-1М», тема 1312, № 6ВНТО-192-42-86, МИЭиА, 1986.

72. Химмельблау Д. Анализ прцессов статистическими методами, Мир, 1978.

73. Ефимов Б.В., Ильин С.А. Технический отчет по научно-исследовательской работе «Исследование принципов построенияи разработка лазерного гироскопа с обратной связью». Per. №> 441/220101. МИЭиА 2000 г.86. http ://www. primenet.com/~watgyro/RDS/HRG-3. htm

74. Dr. Frederick Aronowitz Fundamentals of the ring laser gyro, 1998.

75. F. Aronowitz, Physical Review, A 139. 635 (1965).

76. F. Aronowitz, Ph.D. Thesis, New York University (1969).161

77. R. Patterson, B. Ljung and D. Smith, "Physics of the Optics of Ring Lasers", SPIE Vol 487, 1984 pp. 78-84

78. J. E. Killpatrick, SPIE "Physics of the Optics of Ring Lasers", Vol 487 1984 pp 85

79. T. Hutchings and D. Stjern, IEEE National Aerospace and Electonics Conference, 1978 pp. 549-555