книга "НИС". Вагущенко Л. Л. Судовые навигационно информационные системы одесса 2004
 Скачать 5.96 Mb.
|
|
strapdown technologies». В ряде современных образцов ГК применены оптические кольцевые лазерные гирометры (RLG - Ring Laser Giroscope), 143 называемые также фиброоптическими (волоконнооптическими) гиродатчиками - ФОГ (FOG - Fiber Optic Giroscope). Фиброоптические ГК уже установлены на нескольких морских судах. Следует отметить, что система с тремя ФО-гирометрами, дополненная тремя акселерометрами может служить датчиком кинематического состояния судна, который измеряет: курс, крен, дифферент, продольное, поперечное и вертикальное перемещение корпуса. Принцип определения курса . В фиброоптическом ГК нахождение курса сводится к определению горизонтальной проекции Ω N вектора угловой скорости вращения Земли (рис. 4.13). Ω r Модуль и направление вектора Ω r рассчитывают по данным трех гирометров с взаимно ортогональными осями. Положение горизонтальной плоскости (или вертикального направления, что одно и то же) может быть найдено разными способами: применением отвеса, с помощью электролитического уровня, путем определения вектора силы тяжести по данным двух акселерометров и т.д. Все эти датчики являются двухкоординатными. Для расчетов вертикального направления может использоваться и трехкоординатный датчик – система из трех акселерометров с взаимно ортогональными осями. Чтобы в фиброоптическом ГК рассчитать курс с погрешностью 0,5 0 secφ, угловую скорость Земли необходимо измерить с высокой точностью - 0,1 0 /час, а ускорение силы тяжести – с относительно низкой для современных акселерометров ошибкой 0,01g. На судне реализация охарактеризованного принципа определения курса затрудняется следующими обстоятельствами. Здесь к вращению Ω Ω N N Вращение Земли g N g S Экватор Экватор S Рис. 4.13 . Принцип определения направления на север. Рис. 4.14. Движение вектора силы тяжести в инерциальном пространстве. 144 Земли и к ускорению силы тяжести добавляются угловые и линейные параметры движения судна. Вследствие этого оказывается необходимым из результатов измерений выделять Ω r и gr . Это сложная задача, так как Ω r значительно меньше угловых скоростей движения судового корпуса при качке и на поворотах, а gr возмущается ускорениями в движении судна. В современных фиброоптических ГК вектора Ω r и gr находятся путем фильтрации данных гирометров и акселерометров с использованием информации о том, что вектор силы тяжести в инерциальном пространстве, продолженный до центра Земли, описывает при ее вращении конус (рис. 4.14.). Фиброоптические ГК относят к системам аналитического типа, так как курс в них получается в результате сложной математической обработки данных. 4.4.3. Принцип работы фиброгирометров. Принцип работы ФО-гирометров основан на инвариантности скорости света и релятивистском эффекте, открытым французским физиком Г.Саньяком (George Sagnac) в 1913 г. Положение об инвариантности скорости света состоит в ее независимости от движения замкнутой среды, в которой свет распространяется. Это положение учитывает, что к распространению света неприменим закон классической механики о сложении скоростей. Для ясного понимания эффекта Г.Саньяка необходимы хорошие знания специальной теории относительности. Поэтому поясним принцип работы ФО-гирометров не строго, а в популярной форме. Допустим (рис. 4.15,а), что в плоскости инерциального пространства с системой координат Oζξ имеется неподвижный фиброоптический кабель (световод) длиной L, свернутый в виде кольца радиусом R ( R L π 2 = ). Примем, что начало и конец кабеля находятся в точке А. Если в точку А подать свет, то его волна разделится на две. Эти две волны пойдут по оптическому кабелю в противоположных направлениях (будем считать, что первая волна - по часовой стрелке, а вторая - против нее). Обойдя световод, первая и вторая волны встретятся в точке А. Здесь они соединятся и покинут кабель. Время прохождения светом кольцевого пути будет равно , c L T / = где с – скорость света. Допустим теперь, что кольцо световода вращается вокруг своей оси по часовой стрелке с угловой скоростью ω (рис. 4.15,б). В момент, 145 когда точка А оптического кабеля проходит через ось Oξ, в нее подается свет. Разделившись на две волны, свет пойдет по кабелю относительно инерциального пространства со скоростью с, не зависящей от скорости вращения световода. Точка А во время движения света по кабелю будет уходить от волны, движущейся по часовой стрелке и идти навстречу волне, огибающей световод против часовой стрелке. Вторая волна достигнет точки А и покинет световод раньше первой волны, так как ее путь L 2 окажется короче расстояния L 1 , проходимого первой волной. Измерив с высокой точностью разность времени прихода волн в точку А, можно найти угловую скорость вращения световода. Рис. 4.15. К пояснению принципа работы ФО-гирометра. За время обхода кабеля первой и второй волнами света он повернется на угол θ, примерно равный T ω θ = Расстояние до точки А, проходимое первой волной, огибающей световод по часовой стрелке, будет равно θ R L L + = 1 . Длина пути до точки А второй волны, движущейся по кабелю в противоположном направлении, окажется такой: θ R L L − = 2 Разность расстояний, проходимых первой и второй волнами света, составит L Δ θ R L 2 = Δ Обозначим длину световой волны λ. Ей соответствует фазовый угол 2π. Тогда величине ΔL при выходе света из кабеля в точке А будет соответствовать фазовый сдвиг ΔФ между первой и второй волнами, равный б) L 2 A θ ζ ξ ω 0 а) A R ζ ξ 0 146 ω λ ω λ π λ π c L c RL L Ф 2 2 4 2 = = Δ = Δ Угол ΔФ называют фазой Саньяка. Из формулы следует, что чем больше длина световода, тем с лучшей точностью можно измерить его угловую скорость (значению ω будет соответствовать большее значение ΔФ). Поэтому длину оптического кабеля берут равной 500 и более метров и наматывают его в виде катушки, диаметром порядка 6÷12 см. На практике в световоде поддерживаются автоколебания генерируемой электромагнитной энергии в оптическом диапазоне, а определение разности между L 1 и L 2 выполняется с помощью интерферометров, измеряющих разность фаз между первой и второй световыми волнами. 4.4.4. Характеристики фиброоптических гирокомпасов. Морские фиброоптические компасы изготавливаются в настоящее время рядом фирм и организаций. В качестве примера таких приборов можно привести гирогоризонткомпас ГГК-1, разработанный Пермской научно-производственной приборостроительной компаний (Россия), курсоуказатель «NAVIGAT 2100» (SR 2100) фирмы C.Plath и датчик курса «LFK 95» фирмы LITEF. Характеристики этих приборов практически одинаковы, поэтому рассмотрим их на примере курсоуказателя «NAVIGAT 2100». Модуль управления и отображения Рис. 4.16. Базовая конфигурация ФО-гирокомпаса «NAVIGAT 2100». Компас «NAVIGAT 2100» изготовлен по strapdown-технологии и не имеет движущихся частей. Он включает в себя основной прибор, блок питания и интерфейса, модуль управления и отображения (рис. 4.16). Блок питания и интерфейса Основной прибор 147 В основном приборе находятся: три фиброоптические гирометра, два электронных датчика для определения направления вертикали, процессор. Длина световода в гирометре равна 500 м. В процессоре при обработке данных гирометров и датчиков горизонта используется фильтр Калмана. Размеры основного прибора составляют 29х34х17 см 3 Вес прибора равен 11.5 кг. Блок питания и интерфейса вырабатывает необходимые питающие напряжения. Он обеспечивает передачу показаний прибора на авторулевой и другим потребителям, а также ввод данных от другого гирокомпаса, от приемоиндикатора GPS, электронного магнитного компаса, лага, датчика положения руля. Блок питания и интерфейса имеет размеры 52х34х12 см 3 и вес 15 кг. Блок управления и отображения служит для управления работой прибора и представления его информации. Размеры этого прибора: 29х10х5,5 см 3 . Вес – 0,7 кг. При всех условиях работы (в широтах до ±75 0 и скоростях хода до 75 узлов) ФО-гирокомпас «NAVIGAT 2100» обеспечивает точность: – Курса ……………………………………………………………...≤0.7 0 secφ; – Углов бортовой и килевой качки ………………………………. ≤0.5 0 ; – Скорости поворота судна…………………………………………≤0.4 0 /мин; – Угловых скоростей бортовой и килевой качки………………….≤0.4 0 /мин. После включения время прихода ГК в готовность составляет: у причала - 30 мин, на ходу – 45 мин. Требуемая точность измерения скорости поворота судна достигается через 4 минуты после включения компаса. Отметим также следующие достоинства рассматриваемого прибора. ФО-гирокомпас «NAVIGAT 2100» не имеет движущихся частей, обладает высокой надежностью, потребляет мало энергии, не требует обслуживания, отвечает рекомендациям ИМО к высокоскоростным судам. Он является датчиком курса, скорости поворота, углов и скоростей килевой и бортовой качки и относится к бесплатформенным системам ориентации (БСО). Этот компас имеет цифровые и аналоговые выходы и встроенную систему контроля своей работы. Основные преимущества электронных компасов . В заключение выделим следующие основные достоинства электронных компасов различных видов, изготовленных по strapdown-технологии: – Отсутствие движущихся частей; – Высокая надежность; – Низкое энергопотребление; – Легкость обеспечения независимыми резервными источниками питания; – Стандартизованный цифровой выход; – Компактность, малый вес, низкая стоимость; – Быстрый приход в готовность после включения и высокая устойчивость; 148 – Низкая чувствительность к вибрации, ударам и к изменению температуры; – Самокоррекция; – Функциональные дополнительные возможности; – Не требуют обслуживания. 4.5. Спутниковые компасы. Принцип определения курса в спутниковом компасе . С помощью среднеорбитальных навигационных спутниковых систем можно получать информацию не только о координатах и составляющих путевой скорости судна, но также и о его курсе. С этой целью используются двух или трехантенные системы. В принципе для получения курса необходимо только две антенны. Третья антенна позволяет вместе с курсом судна определить углы килевой, бортовой качки и улучшить точность измерения курса, уменьшив негативное влияние на нее качки и рыскания. Вид трехантенной системы представлен на рис. 4.17. Диаметр окружности, проходящей через антенны А 1 , А 2 , А 3 , приблизительно равен одному метру. Рис. 4.17. Трехантенная система спутникового компаса. Для освещения принципа определения курса по данным GPS допустим, что имеются только две антенны А 1 , А 2 , расположенные в диаметральной плоскости судна (рис. 4.18). Расстояние между антеннами обозначим b. У реальных спутниковых датчиков курса оно составляет порядка 85 см. Передача сигналов навигационными искусственными спутниками Земли (НИСЗ) в системе GPS производится на двух частотах: F1=1575,42 и F2=1227,60 MГц. В бортовой аппаратуре GPS для гражданских судов используется только общедоступный С/А–код, которым модулируется частота F1. Длина волны этой несущей частоты составляет приблизительно 19 см. А 1 А 2 А 3 149 При позиционных определениях по координатам судна и по эфемеридам спутников всегда могут быть рассчитаны горизонтные координаты НИСЗ: высота h S и азимут A S . На рис. 4.18 эти координаты показаны для одного из спутников. Дистанции, которые проходит сигнал с определенного спутника до антенн А 1 , А 2 , отличаются на величину ΔD. Эту разность расстояний можно найти, измерив сдвиг фаз ΔФ несущего сигнала, принимаемого антеннами А 1 , А 2 : n Ф + Δ = Δ ψ , где n – целое число циклов, ψ Δ - дробная часть цикла. Фазовым измерениям присуща многозначность, поэтому измеряется только ψ Δ , а n должно быть определено по дополнительным данным. Рис. 4.18. К характеристике принципа работы спутникового компаса. По значению ΔФ величина ΔD находится по формуле: Ф D Δ = Δ λ , где λ – длина волны несущего сигнала. Зная ΔD и высоту h S спутника над истинным горизонтом, можно найти курсовой угол q S спутника и истинный курс судна К: Направление на спутник h S h S F Плоскость горизонта A S N С q S K ΔD A 1 q S b A 2 ДП 150 S h D F A cos 2 Δ = ; b F A q S 2 arccos = ; S S q A K − = Значения курса определяются по всем спутникам, находящимся над горизонтом, и усредняются. Для вычисления координат объекта по навигационным сигналам спутников GPS в трехмерном пространстве необходимо измерить дистанции не менее чем до 4–х, а при двухмерной навигации – не менее чем до 3–х спутников. Для получения добавочно к координатам истинного курса объекта, число спутников, до которых измеряются расстояния, должно быть на один больше, так как количество определяемых параметров увеличивается на единицу. Кроме координат и постоянной погрешности расстояния здесь требуется также найти значение целого числа циклов n. Для случаев, когда сигналы спутников GPS могут быть блокированы высокими зданиями, или мостами, под которыми проходит судно, спутниковый компас снабжается свободным гироскопом. По параметрам углового положения его оси обеспечивается выработка значений курса в те короткие промежутки времени, когда не поступают сигналы от спутников. Кроме того, названный гироскоп применяется для уменьшения влияния качки и рыскания на точность показаний курса. В периоды отсутствия сигналов НИСЗ вместо данных свободного гироскопа в спутниковом компасе для хранения курса может использоваться информация электронного магнитного курсоуказателя. Состав аппаратуры спутникового компаса и его характеристики . В комплект спутникового компаса входит: • три антенны, помещенные на жесткой с высокой точностью установленной платформе; • основной модуль; • устройство управления и отображения. В основном модуле располагаются приемник GPS, свободный гироскоп, процессор. Спутниковый компас предоставляет информацию о координатах судна, курсе, путевом угле, путевой скорости, углах бортовой и килевой качки. По существу он является датчиком параметров кинематического состояния судна Устройство управления и отображения спутникового компаса фирмы “Furuno” показано на рис. 4.19. Этот курсоуказатель может отображать данные в трех формах, предназначенных для: – управления судном рулевым (курс, подвижная картушка с неподвижным индексом курса, путевая скорость, путевой угол, углы килевой и бортовой качки), 151 – навигационных целей (дата, время, координаты места судна, путевая скорость и путевой угол); – указания направления диаметральной плоскости судна (дата, время, курс, путевая скорость и путевой угол). Спутниковый компас способен передавать информацию о курсе судна в такие устройства, как РЛС, САРП, авторулевой, транспондер АИС, ЭКДИС и в другую аппаратуру. Он имеет такие характеристики: • Средняя квадратическая погрешность (СКП) показаний курса – ±0.5 0 ; • СКП показаний угла бортовой (килевой) качки – ±0.5 0 ; • Точное слежение за курсом при скорости поворота – до 25 0 /с; • Время прихода в готовность после включения – 4 мин; • 95% погрешность определения места судна по GPS – ±10 м; • 95% погрешность определения места судна по DGPS – ±5 м; • Интерфейс – МЭК 61162. Рис. 4.19. Устройство отображения компаса фирмы “Furuno ”. Другая бортовая аппаратура GPS подобного вида, приемоиндикатор NR230MII фирмы Sercel, обеспечивает точность показаний курса от 0.03 до 0.1 0 , а углов бортовой и килевой качки – от 0.08 до 0.2 0 . Время прихода в готовность этого приемоиндикатора занимает 1÷3 мин. Обновление показаний координат в приемоиндикаторе NR230MII производится через 0.6 с., а углов курса, килевой и бортовой качки – через 0.1 или 0.6 с. На работу спутникового компаса не влияют скорость судна, ускорения, изменение широты, геомагнетизм. Этот компас имеет малую стоимость и не требует обслуживания. Основной недостаток спутниковых курсоуказателей по сравнению с ГК – |