Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Описание лабораторной установки

Камеральная обработка данных стендовых испытаний измерительного блока на лазерных гироскопах по дискретным алгоритмам работы бескарданной инерциальной навигационной системы с использованием пакета Matlab (Simulink)

Цель работы: изучение дискретных алгоритмов работы бескарданной инерциальной навигационной системы при решении следующих задач:

· задачи предварительной обработки данных гироскопов и акселерометров;

· задачи ориентации измерительного блока бескарданного инерциального измерительного модуля и объекта;

· задачи преобразования сигналов акселерометров на навигационные оси и первого их интегрирования – вычисление составляющих вектора линейной скорости и вектора угловой скорости вращения географического трёхгранника;

· задачи вычисления координат места;

· формирование управлений (демпфирующих и корректирующих сигналов) в обратной связи.

Основные сведения

Для обеспечения устойчивой работы БИНС в условиях эксплуатации необходимо демпфирование собственных колебаний погрешностей и периодическая коррекция погрешностей выработки координат места. Для чего требуется формирование скоростных и позиционных измерений с опорой на данные GPS и лага:

· Скоростные измерения (по GPS) - для демпфирования собственных колебаний погрешностей БИНС:

где - приращения декартовых координат объекта в проекциях на географические оси, измеряемые в доплеровском канале современной ПА GPS/ГЛОНАСС с дискретностью ;

- приращения декартовых координат, вычисляемые по данным БИНС о скорости движения объекта.

Соотношения (1) могут быть приведены к виду:

где - погрешности доплеровского канала ПА GPS/ГЛОНАСС;

- реальные шумы скоростных измерений.

· Позиционные измерения (для периодической коррекции погрешностей выработки координат места)

где - погрешности дальномерного канала ПА GPS/ГЛОНАСС;

- динамическая составляющая вертикальной качки морского надводного объекта (с точностью до превышения геоида), которая может быть аппроксимирована марковским процессом второго порядка с м.

· Курсовое измерение (привлекается в условиях стенда)

где - шумы измерений, включающие флуктуационную составляющую.

В автономном режиме работы БИНС используются только данные относительного лага и априорная информация о высоте (глубине) корабля.

· Скоростные измерения (по лагу):

где и - морские течения, - шумы измерений, включающие неизмеряемую лагом поперечную составляющую вектора скорости корабля и инструментальные погрешности лага и аппроксимированные белыми шумами с дисперсией на частоте 1 Гц.

· Позиционное измерение (по высоте)

которое совпадает с третьим измерением в.

Управления (сигналы демпфирования и коррекции)

При использовании стационарного фильтра в интересах обеспечения минимального времени переходных процессов в системе управления , формируемые в фильтре, подаются по обеим составляющим вектора состояния северного и восточного каналов контура вертикали системы (т.н. «жесткое» демпфирование). Т.е. согласно измерениям будем иметь:

, ,

, , ,

где коэффициенты демпфирования вертикали (режим горизонтирования) и управления в азимутальном канале (режим гирокомпасирования), определяющие «веса» поступающих измерений, выбираются из условия обеспечения оптимальных с точки зрения погрешностей ориентации динамических характеристик БИНС и могут быть выбраны из следующих соотношений:

где –относительный коэффициент демпфирования, - частота колебаний в демпфируемом контуре вертикали;

= = =1/Tz - коэффициенты разовой коррекции по координатам места, Tz – дискретность измерений GPS.

При «слабом» демпфировании контура вертикали

, , , , ,

где - шулеровская частота.

Линеаризованная относительно алгоритма идеальной работы модель погрешностей БИИМ в выработке параметров ориентации и навигационных параметров, включающая модели погрешностей в решении задач ориентации, преобразования сигналов акселерометров на навигационные оси и их интегрирования (вычисления составляющих векторов линейной скорости в проекциях на навигационные оси и географических координат места), может быть представлена в следующем виде:

где α,β,γ – погрешности БИИМ в аналитическом моделировании горизонтальной системы координат с географической ориентацией осей (географического сопровождения трехгранника) ENH (рис.1);

Рис.1. Погрешность БИИМ на ДУС в моделировании горизонтальной системы координат с географической ориентацией осей ENH

∆VE, ∆VN, ∆VH – погрешности в выработке составляющих векторов линейной скорости;

∆φ,∆λ,∆H – погрешности в выработке географической широты, долготы и высоты места;

где - погрешности БИИМ в аналитическом моделировании горизонтной системы координат с географической ориентацией осей (географического сопровождающего трехгранника) ; - погрешности в выработке составляющих вектора линейной скорости; - погрешности в выработке географических широты, долготы и высоты места; - проекции нескомпенсированных дрейфов ДУС и так называемых "вычислительных" дрейфов на оси горизонтной системы координат; - проекции инструментальных погрешностей акселерометров на оси горизонтной системы координат; - погрешность компенсации вертикальной составляющей вектора нормальной силы тяжести, обусловленная погрешностями знания координат места; , - составляющие уклонения отвесной линии (УОЛ) и аномалия силы тяжести; - ускорение силы тяжести нормальной Земли; - средний радиус Земли; - угловая скорость суточного вращения Земли; - погрешности компенсации ”вредных” ускорений по соответствующим осям, выражения для которых имеют вид:

- составляющие угловой скорости вращения горизонтного трехгранника с географической ориентацией осей, которые определяются как

, , ,

- проекции кажущегося ускорения на оси горизонтной системы координат, которые определяются выражениями:

Описание лабораторной установки

Камеральная обработка с использованием пакета Matlab (Simulink) предварительно записанных массивов данных стендовых испытаний ИБ на ЛГ по дискретному алгоритму работы БИНС, представленному на рис. 2.

Измерительный блок, данные с которого используются в качестве исходных для моделирования в данной лабораторной работе, включает в себя триаду лазерных гироскопов и акселерометров. С гироскопов снимаются проекции угловых скоростей на оси горизонтной системы координат, которые используются в работе для выработки параметров ориентации (углов и угловых скоростей крена, дифферента и курса). Информация с акселерометров используется в работе для выработки параметров поступательного движения (географические координаты, высота, скорость и ускорение объекта). Конструктивной особенностью измерительного модуля является возможность вращения блока гироскопов относительно акселерометров вокруг вертикальной оси. Этот угол также используется для выработки параметров ориентации.

Описание алгоритмического обеспечения БИИМ на ДУС: блок-схема решаемых задач.

Протокол испытаний

На рис. 3 представлен график погрешностей вычисления параметров ориентации.

Рис. 3. Погрешности вычисления параметров ориентации (смотря снизу: первый график – угол ΔK, соответсвующий погрешности выработки курса, второй – угол Δψ, соответсвующий погрешности выработки угла дифферента, третий – угол Δθ, соответсвующий погрешности выработки угла крена)

Рис. 4. Погрешности вычисления параметров ориентации (увеличенный участок).

На рис. 1 представлены зависимости погрешностей параметров ориентации от времени в 2 режимах: начальная выставка (1 час) и режим пространственного гироазимута (2 час). В режиме начальной выставки угол ΔK находился в пределах 10', углы Δψ и Δθ были близки к 0. В режиме пространственного гироазимута углы Δψ и Δθ практически не изменили своего значения, а на графике для угла ΔK появляются колебания с амплитудой примерно в 20 минут. Это объясняется тем, что в режиме пространственного гироазимута отключаются сигналы демпфирования колебаний, вызванных ошибками бескарданной инерциальной навигационной системы в выработке параметров ориентации.

Данные, представленные на рис. 1, аналитически описываются коэффициентами, характеризующими погрешность смещения нулей следующим образом: . В результате камеральной обработки были получены следующие значения коэффициентов погрешностей:

	p₀, "	p₁, "
ΔK	-282.8184	0.0252
Δψ	27.1919	-0.0036
Δθ	-37.1979	-0.0095

Полученные аналитические результаты в ходе обработки данных моделирования также иллюстрируются графиками дрейфа гироскопов во втором часу (режим пространственного гироазимута).

Рис. 5. Дрейф по углу ΔK

Из таблицы коэффициентов следует, что среднее значение смещения нуля для ΔK –

-282 секунды, при этом наблюдается незначительный рост погрешности.

Рис. 6. Дрейф по углу Δψ

Из таблицы коэффициентов следует, что среднее значение смещения нуля для Δψ - 27 секунд, при этом наблюдается незначительный спад погрешности со скоростью 0,003.

Рис. 7. Дрейф по углу Δθ

Из таблицы коэффициентов следует, что среднее значение смещения нуля для Δθ - -37 секунд, при этом наблюдается незначительный спад погрешности со скоростью 0,0086.

Рис. 8. Погрешность вычисления координат объекта.

Рис. 8 Блок-схема алгоритмического обеспечения БИИМ на ДУС

Блок 1. Чтение показаний ЧЭ ИБ из файла массива данных:

а) показания ЛГ , б) показания акселерометров .

Блок 2. Выработка параметров ориентации

Блок 2.1. Определение матрицы Cbh_pr;

Блок 2.1. Определение углов ориентации объекта.

Блок 3. Выработка параметров поступательного движения

Блок 3.1. Преобразование кажущихся ускорений (при этом используется матрица

Cbh_pr перехода от связанных с объектом осей к географическим

ENH (h) осям), выработка приборной линейной скорости (V=[ V _E; V _N; V_h ]) и

вектора переносной угловой скорости (OmENh_=[ _E; _N; _h ]), обусловленной

вращением Земли;

Блок 3.2. Выработка текущих координат по показаниям БИНС (FiLa =[ ], h = h).

Блок 4. Формирование сигналов внешних источников информации о движении объекта

(координат FiLa_gps = [ _c; _c ] (2.3) и скорости V_gps=[ V ^c_E; V ^c_N; V _c_h ] по

показания GPS; скорости по показаниям ЛАГа VL; курса по показаниям

магнитного компаса Ks; датчика изменения высоты h_et, работа которого в

данной работе моделируется случайным процессом).

Блок 5. Определение вектора переносной угловой скорости по показаниям GPS

(Om_h_gps).

Блок 6. Формирование сигналов в обратных связях: 1) для демпфирования колебаний,

вызванных ошибками БИНС в выработке параметров ориентации (FKOr) и ско-

рости (FKDV); 2) для коррекции погрешностей определения широты, долготы

(FKDFDL) и высоты (FKDh).

Блок 7. Построение графика ошибки определения изменения высоты.

Блок 8. Запись погрешностей работы алгоритма в файлы (для последующего построения

результирующих графиков)

Блок 8.1. скорости движения (DV**.mat) и приращений декартовых координат объ-

екта в проекциях на географические оси (DS**.mat),

Блок 8.2. параметров ориентации (Or**.mat), где ** - формируются оператором.

Автономный режим работы БИНС:

Таблица 1. Начальные значения погрешностей БИНС

	Погрешности углового положения горизонтной системы координат с географической ориентацией осей , (α, β, γ)	Погрешности проекций скорости движения географической системы координат ()	Погрешности декартовых координат объекта (δΔ S _E₀, δΔ S _N₀, высоты h)

№	Alpha0	Beta0	Gamma0	DVE0	DVN0	DVH0	δΔ SE 0	δΔ SN 0	Dh0
	-0.3	-0.1	0.1	-0.2	0.2	-0.1		-30	-1

Рис. 9 График погрешности определения приращений декартовых координат объекта в проекциях на географические оси

Рис. 10 График погрешности определения линейной скорости движения объекта

Рис. 11 График погрешности определения параметров ориентации объекта

Из графиков погрешностей вычисления параметров ориентации, составляющих вектора линейной скорости и координат объекта видно, что они приобрели выраженный гармонический характер (колебания с частотой Шулера, вызванные наличием погрешности построения вертикали), что связано с отключением демпфирующих (FKDV; FKOr) и корректирующих (FKDFDL) сигналов, а также переключением формирования вектора переносной угловой скорости для задачи ориентации по данным БИНС.

Режим «слабого» демпфирования:

Рис. 12. График погрешности определения приращений декартовых координат объекта в проекциях на географические оси

Рис. 13. График погрешности определения линейной скорости движения объекта

Рис. 14. График погрешности определения параметров ориентации объекта

С подключением демпфирующих (FKDV; FKOr) сигналов в цепи обратной связи перестал наблюдаться выраженный гармонический характер с тенденцией к увеличению амплитуды во времени погрешностей вычисления составляющих вектора линейной скорости и координат.