Комплексный программно-алгоритмический метод повышения точности лазерных инерциальных измерительных блоков систем навигации летательных аппаратов

Целью исследования является повышение точности инерциальных измерительных блоков (ИИБ) на зеемановских лазерных гироскопах (ЗЛГ) и кварцевых акселерометрах (КА), предназначенных для применения в системах навигации различных летательных аппаратов.
Большую роль в достижении конечных точностных параметров ИИБ играет программно-алгоритмическое обеспечение, которое разрабатывается индивидуально для каждой задачи с учетом требований конкретной системы и особенностей функционирования применяемых гироскопов и акселерометров в заданных условиях эксплуатации.
Для решения поставленной цели необходима разработка специальных математических алгоритмов, которые должны обеспечивать компенсацию как магнитной, так и немагнитной составляющих дрейфа ЗЛГ, работающих в квазичетырехчастотном режиме, а также алгоритмов компенсации ошибок КА.
Одной из особенностей работы ЗЛГ в таком режиме является необходимость специальной обработки информации от ЗЛГ в момент его перестройки с одной моды на другую. При коммутации мод на участке выключения автоматической подстройки периметра имеет место пропадание двунаправленной генерации на 5…15 мс. В этот период необходимо выдавать аппроксимированные данные, т. к. для интегрирования уравнений инерциальной навигации нужно иметь непрерывную информацию.
Важной проблемой является повышение точности получения оцифрованной информации от КА при большом диапазоне ускорений.
Как показал анализ, для достижения поставленных целей необходим многоэтапный комплексный подход к коррекции составляющих дрейфа ЗЛГ, а также компенсации ошибок КА с калибровкой АЦП, что даст возможность эффективно и оперативно программно-алгоритмическими методами обеспечить повышение точности ИИБ.

ИИБ на ЗЛГ и КА представляют собой инновационную технику для самых современных летательных аппаратов. ЗЛГ называют лазерными гироскопами нового поколения благодаря отсутствию каких-либо движущихся частей – в отличие от лазерных гироскопов с виброподвесом. В результате ЗЛГ отвечают практически всем современным и перспективным требованиям к системам управления гражданскими и специальными средствами транспорта и доставки: диапазоны измеряемых угловых скоростей – 3600 °/c, точностей – 10–0,01 °/ч, температур – от –50 до +65 °С, перегрузок: по ударам – 100–300 g, по вибрациям – 20–30 g, по линейным ускорениям – 150 g. КА обеспечивают высокую точность при работе в большом диапазоне ускорений и в жестких условиях эксплуатации благодаря технологии изготовления маятников из кварца. Вместе с тем, полностью реализовать преимущества ЗЛГ и КА удается только при всестороннем исследовании их поведения в диапазоне внешних воздействий с разработкой алгоритмов коррекции дрейфов нуля, обусловленных этими воздействиями. С ростом потребности в лазерных ИИБ и повышением требований к их параметрам все большее значение приобретает программно-алгоритмическое обеспечение, которое может существенно повысить конечную точность ИИБ. Таким образом, разработка комплексного многофакторного подхода к коррекции составляющих дрейфа ЗЛГ и КА является весьма актуальной, даст возможность выйти на новый уровень параметров ИИБ и обеспечить более широкие возможности летательным аппаратам, на которых они устанавливаются.

Исследование проводилось для ИИБ, включающего в свой состав три ЗЛГ, три КА, электронику жизнеобеспечения, АЦП-ЦАП,  вычислитель и блок обмена по тому или иному последовательному каналу цифрового обмена (RS-232C, RS-485, Ethernet, ARINC, USB, MIL-1553). Бортовая программа (БП) и файл паспортных констант (ФПК) записаны в долговременную память вычислителя. Файл паспортных констант формируется на этапе технологических испытаний.

БП управляет чтением данных со всех датчиков прибора, контролирует включение/выключение системы регулировки периметра ЗЛГ, а также каждые 2 минуты производит переключение рабочей моды. Такт работы прибора задается периодом управляющего сигнала, поступающего от ЗЛГ, и составляет 5 мс.

После прихода управляющего сигнала БП считывает показания ЗЛГ, полученные за время предыдущего такта, измеряет напряжение с выходов термодатчиков гироскопов и сохраняет их в оперативной памяти вычислителя.

После накопления первичных данных БП производит их обработку с использованием значений коэффициентов, записанных в ФПК.

В режиме предстартовой калибровки используется дополнительная математическая обработка данных.

Основными режимами работы прибора являются:

• режим самодиагностики (функциональной готовности),
• режим предстартовой калибровки,
• режим передачи приращения углов и ускорений на оси приборной системы координат с реверсом мод,
• режим ожидания команды.

После подачи питания на прибор вычислитель запускает программу, которая приступает к выполнению режима «Функциональная готовность». Выполнение режима завершается выдачей донесения по каналу связи о состоянии прибора.

В режиме предстартовой калибровки производится коррекция постоянных составляющих полиномов температурных зависимостей магнитной и немагнитной составляющих дрейфа ЗЛГ.

Одной из особенностей работы ЗЛГ в режиме переключения мод является необходимость специальной обработки информации от гироскопов в момент перестройки гироскопа с одной моды на другую. При коммутации мод на участке выключения автоматической подстройки периметра происходит пропадание двунаправленной генерации. Продолжительность этого процесса составляет 5…15 мс. Данные, получаемые с кольцевого лазера во время отсутствия двунаправленной генерации, не несут никакой полезной информации, поэтому необходимо в это время выдавать некие аппроксимированные данные. Предложенный подход – использование для аппроксимации константы, рассчитанной как среднее значение показаний ЗЛГ за несколько тактов коммутации подставки до переключения.

Очевидно, что более точное приближение будет, если использовать точки, прилегающие к переходному процессу с обеих сторон. Исходя из общих принципов аппроксимации, нами предложен четырехшаговый алгоритм.

Калибровка КА заключается в переопределении смещений нулей  акселерометров непосредственно перед стартом. Такая корректировка необходима в связи с тем, что смещения нулей имеют невоспроизводимость от включения к включению, поэтому значения, записанные в паспортных константах, могут отличаться от значений в момент старта.

В ИИБ используются два типа АЦП сигналов акселерометров: высокоточный и низкой точности. Для обеспечения возможности автоматической калибровки во время полета точный и грубый каналы АЦП должны работать одновременно, причем точный канал периодически (обычно 1 раз в минуту) отключается от выхода акселерометров и последовательно соединяется с нулевым и опорным напряжениями. В результате производится калибровка смещения нуля и масштабного коэффициента точного канала АЦП акселерометров. Во время же полета на ускорениях, находящихся в диапазоне измерений точного канала, его показания являются эталонными для грубого канала и используются для коррекции смещения нуля этого канала.

 Предложенный многоэтапный комплексный подход к коррекции немагнитной и магнитной составляющих дрейфа ЗЛГ, а также компенсации ошибок акселерометров с периодической калибровкой АЦП обеспечивает возможность эффективно и оперативно программно-алгоритмическими методами обеспечить повышение точности ИИБ.

По совокупности своих точностных, эксплуатационных, массо-габаритных и стоимостных параметров ИИБ на ЗЛГ с магнитооптической частотной подставкой не имеют аналогов в России и обладают значительным потенциалом к дальнейшему совершенствованию. Разработанный  многоэтапный комплексный подход к коррекции немагнитной и магнитной составляющих дрейфа ЗЛГ, а также компенсации ошибок КА с периодической калибровкой АЦП обеспечивает возможность эффективно и оперативно программно-алгоритмическими методами обеспечить повышение точности инерциальных измерительных блоков. Предложенные алгоритмы и программное обеспечение осуществляют температурную коррекцию немагнитной составляющей дрейфа ЗЛГ, а также полную компенсацию магнитной составляющей дрейфа, компенсируя при этом и ложные показания кольцевого лазера в процессе переключения мод генерации методом аппроксимирующей функции. Кроме того, проводится коррекция температурного дрейфа КА. Для уменьшения влияния ошибки, связанной с невоспроизводимостью смещения нуля АЦП, использована двухмасштабная схема подключения акселерометров, что позволяет проводить начальную калибровку и периодическую подкалибровку АЦП.

За рубежом лазерные гироскопы с магнитооптической частотной подставкой считают «лазерными гироскопами нового поколения», т.к. в них полностью исключены механические вращающиеся узлы,  к тому же их производство в США началось на втором этапе развития лазерной гироскопии. Хотя и существенно позже, чем в СССР, но все же достичь успеха в этом направлении удалось единственной американской фирме, сумевшей разработать и организовать выпуск лазерных гироскопов с магнитооптической частотной подставкой – такой фирмой является Litton (впоследствии поглощенная Northrop Grumman). В приборах этой фирмы для создания подставки используется эффект Фарадея в неплоском оптическом резонаторе. Приборы получили название Zero-lock Laser Gyro – «лазерный гироскоп с нулевым захватом». Они нашли широкое применение в системах навигации различных летательных аппаратов.

В нашей стране принципиальные преимущества магнитооптических ЗЛГ и инерциальных блоков на их основе обусловили рост потребности на эти изделия для ряда важнейших современных и перспективных комплексов.

В современном мире лазерные гироскопы – неотъемлемая часть систем управления, навигации и стабилизации движения огромного числа транспортных средств. На зарубежном рынке лазерно-гироскопические системы уже давно доминируют с большим отрывом. В России замена механических гироскопов лазерными происходит не столь быстрыми темпами, что связано с устоявшимися традициями и отсутствием широкой рекламы выпускаемых лазерных гироскопов.
Предложенный в работе многоэтапный комплексный подход к коррекции немагнитной и магнитной составляющих дрейфа ЗЛГ, а также компенсации ошибок акселерометров с периодической калибровкой АЦП обеспечивает возможность эффективно и оперативно программно-алгоритмическими методами обеспечить повышение точности ИИБ.
Результаты работы позволяют в несколько раз повысить точность ИИБ на ЗЛГ и, соответственно, характеристики и возможности летательных аппаратов, что является важными показателями научно-технического потенциала страны, определяющими степень ее безопасности и независимости.