Принцип и применение североискателя на волоконно-оптическом гироскопе

Ключевые моменты

Североискатель на волоконно-оптическом гироскопе

Преимущества: высокая точность, ударостойкость, низкое энергопотребление, отсутствие необходимости во внешней привязке.
Недостатки: требуется точная калибровка, чувствителен к дрейфу.
Лучше всего подходит для: суровых условий эксплуатации и задач прецизионной навигации.

Вывод: это оптимальное решение для определения истинного севера в сложных условиях, обеспечивающее надежную работу без необходимости знать значение широты.

Североискатель представляет собой разновидность компаса, используемого для определения значения направления на истинный север в определенной точке. Гироскопический североискатель, также называемый гироскопическим компасом, является инерциальной измерительной системой, которая использует принцип гироскопа для определения направления проекции угловой скорости вращения Земли на локальную горизонтальную плоскость, то есть положения истинного севера. Для поиска севера ему не требуется внешняя опорная информация.

Принцип работы североискателя на волоконно-оптическом гироскопе

Волоконно-оптический гироскоп (FOG) — это новый тип полностью твердотельного гироскопа, основанный на эффекте Саньяка. Он является инерциальным измерительным элементом без механических вращающихся частей и обладает такими преимуществами, как ударостойкость, высокая чувствительность, длительный срок службы, низкое энергопотребление и надежная интеграция. Это идеальное инерциальное устройство для нового поколения бесплатформенных инерциальных навигационных систем.

В приложениях североискания на основе волоконно-оптического гироскопа большинство методов предполагает поворот FOG на фиксированный угол и вычисление угла относительно северного направления через определение смещения. Для точного указания на север также необходимо устранить дрейф FOG. Обычно используют вращающуюся платформу, показанную на рисунке 1: волоконно-оптический гироскоп устанавливается на подвижное основание, плоскость которого параллельна горизонтальной плоскости, а чувствительная ось гироскопа параллельна плоскости подвижного основания. В момент начала поиска севера гироскоп находится в положении 1, и его чувствительная ось параллельна носителю. Предположим, что угол между начальным направлением чувствительной оси волоконно-оптического гироскопа и направлением истинного севера равен α. Выходное значение гироскопа в положении 1 обозначим как ω1. Затем основание поворачивают на 90° и измеряют выходное значение гироскопа в положении 2, обозначая его ω2. Далее выполняют еще два последовательных поворота на 90°, переходя в положения 3 и 4, чтобы получить угловые скорости ω3 и ω4.

Предположим, что широта точки измерения равна φ, а скорость вращения Земли равна . Тогда угловая скорость, измеренная в положении 1, равна:

Где ε(t1) — это дрейф нуля выходного сигнала гироскопа. Аналогично можно получить:

В течение короткого промежутка времени можно предположить, что дрейф волоконно-оптического гироскопа является постоянной величиной, то есть:

Тогда:

Используя этот метод измерения, можно устранить смещение нуля гироскопа и обойтись без знания значения широты точки измерения. Если широта точки измерения известна, то для определения курсового угла достаточно измерить положения 1 и 3 либо 2 и 4.

Вывод

Североискатель на волоконно-оптическом гироскопе отличается простой конструкцией и превосходными характеристиками, особенно способностью противостоять ударам и работать в различных суровых условиях. Когда поворотный стол находится в горизонтальном положении, он может без ввода значения широты определять угол между носителем и направлением истинного севера. Если же поворотный стол не является строго горизонтальным, для расчета угла между базовой линией носителя и истинным севером с помощью вычислителя также используются угловая скорость Земли, измеренная волоконно-оптическим гироскопом, и угол между гироскопом и горизонтальной плоскостью, измеренный акселерометром. Одновременно акселерометр может измерять и угол ориентации самого североискателя.