[go: up one dir, main page]

RU2578049C1 - Method of determining direction of geographic north using molecular-electronic angular speed sensor and inclination angle sensor - Google Patents

Method of determining direction of geographic north using molecular-electronic angular speed sensor and inclination angle sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2578049C1
RU2578049C1 RU2014148638/28A RU2014148638A RU2578049C1 RU 2578049 C1 RU2578049 C1 RU 2578049C1 RU 2014148638/28 A RU2014148638/28 A RU 2014148638/28A RU 2014148638 A RU2014148638 A RU 2014148638A RU 2578049 C1 RU2578049 C1 RU 2578049C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
platform
angular velocity
rotation
angular
Prior art date
Application number
RU2014148638/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Михайлович Агафонов
Дмитрий Леонидович Зайцев
Александр Николаевич Антонов
Денис Сергеевич Золотовский
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)
Priority to RU2014148638/28A priority Critical patent/RU2578049C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2578049C1 publication Critical patent/RU2578049C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: geography.
SUBSTANCE: invention relates to navigation devices, in particular can be used for determining direction of geographic north. Technical result is achieved due to that device for determining direction of geographic north, includes in addition to sensor of angular motion sensor which is sensitive to change angle of inclination. Signal processing is performed by elimination of angular motion sensor signal signals caused by slopes rotation axis, using readings of installed on same platform sensor which is sensitive to changes in inclination angle. At beginning of platform rotation is determined based on stabilisation of electrode current fixed molecular-electronic sensor. To reduce time of stabilisation of electrode current preliminary mechanically mixed fluid in angular velocity sensor by vibration platform or is placed in liquid outside region where transforming element angular velocity sensor additional electrodes located at same electric potential.
EFFECT: high accuracy of determining direction of geographic north.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к навигационным устройствам, в частности может быть использовано устройствами для определения направления на географический север.The invention relates to navigation devices, in particular, can be used by devices to determine the direction to the geographical north.

Достаточно актуальной задачей современного этапа развития техники является проблема точной привязки различных измерительных и навигационных систем к истинному направлению на географический север. Актуальность задачи высокоточного определения истинного азимута подчеркивается целым рядом практических применений в ориентировании, навигации, решении задач целеуказания и определения направления на объект, высокоточной ориентации систем связи, геодезии и др.A rather urgent task of the current stage of technological development is the problem of accurately linking various measuring and navigation systems to the true direction to the geographical north. The relevance of the problem of high-precision determination of true azimuth is emphasized by a number of practical applications in orienting, navigating, solving problems of target designation and determining the direction to an object, high-precision orientation of communication systems, geodesy, etc.

Традиционным способом определения азимута является измерение направления с помощью магнитного компаса, с учетом (или без) магнитного склонения местности. Несмотря на то, что указанный метод известен давно, несоответствие магнитного и географического полюсов, наличие магнитных аномалий или намагниченных объектов вблизи, делает применение компаса для определения направления на географический север недостаточно точным, для решения обозначенных задач.The traditional way to determine the azimuth is to measure the direction using a magnetic compass, taking into account (or without) the magnetic declination of the terrain. Despite the fact that this method has been known for a long time, the mismatch of the magnetic and geographical poles, the presence of magnetic anomalies or magnetized objects nearby, makes the use of a compass to determine the direction to the geographical north not accurate enough to solve the indicated problems.

Решение задачи позиционирования и определения направления движения в ряде случаев может быть достигнуто с помощью современных спутниковых систем, таких как GPS/ГЛОНАС. Однако, данные методы, основанные на внешних сигналах, по определению не являются автономными, что может иметь решающее значение для некоторых областей применения, например для решении навигационных задач подводных аппаратов или позиционировании в закрытых или подземных объектах, кроме того, для достижения высокой точности определения направлений необходима проведение измерений в нескольких удаленных друг от друга точках, а также применение высокоточных приемников сигнала, обеспечивающих малую погрешность в определении координат каждой точки.The solution of the problem of positioning and determining the direction of movement in some cases can be achieved using modern satellite systems, such as GPS / GLONAS. However, these methods based on external signals, by definition, are not autonomous, which may be crucial for some applications, for example, for solving navigation problems of underwater vehicles or positioning in closed or underground objects, in addition, to achieve high accuracy in determining directions it is necessary to carry out measurements at several points remote from each other, as well as the use of high-precision signal receivers that provide a small error in determining the coordinates of waiting point.

Современные методы высокоточного определения ориентации включают широкое применение различных гирокомпасных устройств [1]. Тем не менее, использование высокоточных гирокомпасов с точностью определения азимутального направления лучше, чем 0,5°, существенно ограничено их стоимостью, потребляющими и массогабаритными параметрами.Modern methods of high-precision orientation determination include the widespread use of various gyrocompass devices [1]. However, the use of high-precision gyrocompasses with an accuracy of determining the azimuthal direction is better than 0.5 °, is significantly limited by their cost, consumption and weight and size parameters.

Альтернативным сложившемуся тренду на развитие различных гироскопических систем для решения задачи определения направления может служить автономный метод поиска азимута объекта, основанный на нахождении вектора угловой скорости вращения Земли посредством измерения сил Кориолиса с помощью линейного акселерометра, вращающегося вокруг некоторой оси, параллельной оси чувствительности этого акселерометра [2]. Вместе с тем, точность данного метода невелика в силу малости сил Кориолиса по сравнению с типичным внешним шумовым вибрационным фоном.An alternative to the established trend for the development of various gyroscopic systems for solving the problem of determining the direction can be an autonomous method of finding the azimuth of an object, based on finding the vector of the angular velocity of rotation of the Earth by measuring the Coriolis forces using a linear accelerometer rotating around a certain axis parallel to the sensitivity axis of this accelerometer [2 ]. At the same time, the accuracy of this method is small due to the small Coriolis forces in comparison with a typical external noise vibration background.

Другим, более привлекательным вариантом с точки зрения технической реализации и достижимости высокой точности определения направления географического севера, может служить известный метод, основанный на непосредственном определении вектора угловой скорости вращения Земли Ω 3

Figure 00000001
с помощью углового акселерометра, вращающегося относительно оси, ортогональной оси чувствительности этого акселерометра. Суть метода заключается в модуляции сигнала скорости вращения земли принудительным механическим вращением углового акселерометра. В случае, когда ось вращения непараллельна Ω 3
Figure 00000002
, проекция ω3 вектора угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности углового акселерометра, а значит и его выходной сигнал, периодически изменяются при вращении акселерометра, что позволяет определить положения оси чувствительности, лежащие в одной плоскости с вектором угловой скорости вращения Земли Ω 3
Figure 00000002
, а значит и направление на географический север [3, 4]. Описываемый метод мог бы быть довольно эффективным при наличии достаточно чувствительного измерителя углового движения. Вместе с тем, доступные до недавнего времени угловые датчики движения, включая микроэлектромеханические и волоконно-оптические, не позволяют получить необходимую высокую точность при их применении. Тем не менее, решение задачи высокоточного определения азимутального направления с помощью данного метода достижимо при использовании более чувствительного и точного углового сенсора. В качестве такого сенсора может быть использован угловой датчик, построенный на принципах молекулярно-электронной технологии [5-10]. Описываемое решение реализовано в патенте [11]. Кроме того, близким аналогом является патент [12] на инерционный определитель направления на географический север. Решение представляет собой негироскопическую инерционную систему, позволяющую определять азимут на географический север. Система функционирует с использованием жидкостного углового акселерометра, установленного на вращающуюся платформу. Датчик углового движения устанавливается на платформу, способную вращаться с некоторой постоянной угловой скоростью так, чтобы его ось чувствительности к угловому движению была ортогональна вектору угловой скорости вращения платформы. Стоит обратить внимание, что в обоих прототипах ось вращения платформы выставлена по направлению вектора силы тяжести.Another, more attractive option from the point of view of technical implementation and the achievability of high accuracy in determining the direction of the geographical north, can be the well-known method based on the direct determination of the angular velocity of the Earth’s rotation Ω 3
Figure 00000001
using an angular accelerometer rotating about an axis orthogonal to the sensitivity axis of this accelerometer. The essence of the method is to modulate the signal of the speed of rotation of the earth by forced mechanical rotation of the angular accelerometer. In the case where the axis of rotation is not parallel Ω 3
Figure 00000002
, the projection ω 3 of the vector of the angular velocity of the Earth’s rotation on the sensitivity axis of the angular accelerometer, and hence its output signal, periodically changes during the rotation of the accelerometer, which allows us to determine the positions of the sensitivity axis lying in the same plane as the angular velocity vector of the Earth Ω 3
Figure 00000002
, and hence the direction to the geographical north [3, 4]. The described method could be quite effective in the presence of a sufficiently sensitive angular motion meter. At the same time, until recently, angular motion sensors, including microelectromechanical and fiber-optic, do not allow to obtain the necessary high accuracy in their application. Nevertheless, the solution of the problem of high-precision determination of the azimuthal direction using this method is achievable using a more sensitive and accurate angular sensor. An angular sensor based on the principles of molecular-electronic technology can be used as such a sensor [5-10]. The described solution is implemented in the patent [11]. In addition, a close analogue is the patent [12] for the inertial determinant of the direction to the geographical north. The solution is a non-gyroscopic inertial system that allows you to determine the azimuth to the geographical north. The system operates using a liquid angle accelerometer mounted on a rotating platform. The angular motion sensor is mounted on a platform capable of rotating with a certain constant angular velocity so that its axis of sensitivity to angular motion is orthogonal to the angular velocity vector of the platform. It is worth noting that in both prototypes the axis of rotation of the platform is set in the direction of the gravity vector.

Метод компенсации ошибок, обусловленных наклоном оси вращения платформы, приведенный в заявке [13], является прототипом предлагаемого технического решения. В этом методе, дополнительно к датчику угловых движений на вращающуюся платформу устанавливают датчик, чувствительный к наклонам, показания которого учитываются при обработке выходных сигналов датчика угловой скорости. Однако, при этом не учитываются ошибки, связанные с нестабильностью во времени чувствительности датчиков угловых движений к действию линейных ускорений, в частности ускорения свободного падения. Кроме того, реализация данного метода осуществляется без учета времени установления стабилизации электродных токов в канале датчика угловых движений, сокращение которого является важным с точки зрения большинства практических приложений способа определения направления на географический север.The method of compensating for errors caused by the inclination of the axis of rotation of the platform, described in the application [13], is a prototype of the proposed technical solution. In this method, in addition to the angular motion sensor, an inclination sensor is installed on the rotating platform, the readings of which are taken into account when processing the output signals of the angular velocity sensor. However, this does not take into account errors associated with the instability in time of the sensitivity of angular motion sensors to linear accelerations, in particular, gravitational accelerations. In addition, the implementation of this method is carried out without taking into account the time it takes to stabilize the electrode currents in the channel of the angular motion sensor, the reduction of which is important from the point of view of most practical applications of determining the direction to the geographic north.

Задачей изобретения является создание способа определения направления на географический север, направленного на устранение упомянутых недостатков.The objective of the invention is to provide a method for determining the direction of the geographical north, aimed at eliminating the aforementioned disadvantages.

Изобретение позволяет определять направление на географический север с высокой точностью сопоставимой с точностью современных прецизионных гирокомпасов без специального высокоточного горизонтирования. Изобретение позволяет создавать устройства с малыми габаритами, малым энергопотреблением и малой массой изделия, и позволяет проводить измерения в сложных условиях, когда нет возможности использовать другие средства навигации. Применение предлагаемого метода позволяет компенсировать возмущение выходного сигнала устройства, вызванное изменением выходного сигнала датчика при изменении его ориентации по отношению к силе тяжести, что позволяет определять ориентацию на географический север без специальных условий горизонтирования с точностью, соответствующей современным гирокомпасам и гироскопическим устройствам и уменьшает время выполнения измерений. Заявляемое техническое решение позволяет сократить время определения направления на географический север при реализации способа в соответствии с изобретением за счет уменьшения интервала времени, необходимого для установления стабилизации электродных токов в канале датчика угловых скоростей.The invention allows to determine the direction to the geographical north with high accuracy comparable to the accuracy of modern precision gyrocompasses without special high-precision leveling. The invention allows to create devices with small dimensions, low power consumption and low weight of the product, and allows measurements in difficult conditions when it is not possible to use other means of navigation. The application of the proposed method allows you to compensate for the perturbation of the output signal of the device caused by a change in the output signal of the sensor when its orientation changes with respect to gravity, which allows you to determine the orientation to geographic north without special leveling conditions with an accuracy corresponding to modern gyrocompasses and gyroscopic devices and reduces the measurement time . The claimed technical solution allows to reduce the time to determine the direction to the geographic north when implementing the method in accordance with the invention by reducing the time interval required to establish stabilization of electrode currents in the channel of the angular velocity sensor.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения направления на географический север, заключающемся в совместной обработке выходных сигналов молекулярно-электронного датчика угловой скорости и датчика наклона, установленных на единой платформе, способной вращаться с угловой скоростью, изменяющейся по знаку и абсолютной величине, при котором осуществляют вращение платформы последовательно против и по часовой стрелке с одинаковой по абсолютной величине угловой скоростью, а направление на географический север определяют из следующего уравнения:The specified technical result is achieved by the fact that in the method of determining the direction to the geographical north, which consists in the joint processing of the output signals of the molecular electronic angular velocity sensor and the inclination sensor installed on a single platform capable of rotating with an angular speed that varies in sign and absolute value, with which rotate the platform sequentially counterclockwise and clockwise with the same absolute value of the angular velocity, and the direction of geographical sowing p determined from the following equation:

(1+R2)sin(ϕ00)-2Rsin(ε-ϕ00)=0,(1 + R 2 ) sin (ϕ 00 ) -2Rsin (ε-ϕ 00 ) = 0,

где R и ε - отношение амплитуд сигналов и разность фаз сигналов датчика угловых скоростей на частоте вращения при вращении против и по часовой стрелке,where R and ε are the ratio of the amplitudes of the signals and the phase difference of the signals of the angular velocity sensor at a frequency of rotation when rotating counterclockwise and clockwise,

φ0 - искомый угол, определяющий направление на географический север, относительно начального положения платформы,φ 0 - the desired angle that determines the direction to the geographical north, relative to the initial position of the platform,

β0 - угол, определяемый по показаниям датчика наклона согласно выражению:β 0 - the angle determined by the readings of the tilt sensor according to the expression:

β0=δ/2±π/2,β 0 = δ / 2 ± π / 2,

где δ - разность фаз сигналов датчика наклона при вращениях против и по часовой стрелке,where δ is the phase difference of the signals of the tilt sensor during counterclockwise and clockwise rotation,

вращение платформы осуществляют с момента наступления стабилизации электродных токов неподвижного молекулярно-электронного датчика угловых скоростей, а для уменьшения времени стабилизации электродных токов предварительно механически перемешивают жидкость в канале датчика угловой скорости путем вибраций платформы или помещают в жидкости вне области расположения преобразующего элемента датчика угловой скорости дополнительные электроды, находящиеся при одинаковом электрическом потенциале. В качестве датчика наклона используют акселерометр или наклономер или датчик линейной скорости.rotation of the platform is carried out from the moment of stabilization of the electrode currents of the stationary molecular electronic angular velocity sensor, and to reduce the stabilization time of the electrode currents, the fluid is mechanically pre-mixed in the channel of the angular velocity sensor by vibration of the platform or additional electrodes are placed in the liquid outside the transducer element of the angular velocity sensor located at the same electric potential. As an inclination sensor, an accelerometer or an inclinometer or a linear speed sensor are used.

Коррекцию ошибок, связанных с чувствительностью датчика угловых движений к наклонам оси вращения, производят путем исключения сигналов, вызванных указанными наклонами с использованием двух серий экспериментов, состоящих из последовательного вращения платформы против и по часовой стрелке.Correction of errors related to the sensitivity of the sensor of angular movements to the inclination of the axis of rotation is performed by eliminating the signals caused by the indicated inclination using two series of experiments consisting of sequential rotation of the platform counterclockwise and clockwise.

Сущность заявляемого способа определения направления на географический север поясняется графическими материалами.The essence of the proposed method for determining the direction to the geographical north is illustrated by graphic materials.

На фиг. 1 показан пример экспериментальной установки для определения направления на географический север на основе молекулярно-электронных измерителей углового ускорения и установленного на ту же платформу датчика, чувствительного к изменениям угла наклона.In FIG. Figure 1 shows an example of an experimental setup for determining the direction to the geographic north based on molecular-electronic angular acceleration meters and a sensor that is sensitive to changes in the angle of inclination mounted on the same platform.

На фиг. 2 показан датчик угловых скоростей, закрепленный на подвижной платформе в соответствии, аналогично решению аналога [11] и введена система координат, ось Ζ которой направлена вдоль оси вращения платформы, ось X - перпендикулярно плоскости тороида, т.е. вдоль оси чувствительности датчика угловых движений. Ось Y дополняет систему координат до правой тройки, α - угол наклона оси вращения относительно вертикали, β - угол между плоскостью ΟΧΖ и плоскостью, содержащей ось Ζ и вектор g силы тяжести, γ - угол между OZ и направлением местного меридиана, φ - отсчитываемый против часовой стрелки угол между плоскостями ΟΧΖ и плоскостью (φ0 - соответствующий угол в начальный момент времени), содержащей вектор угловой скорости вращения Земли и ось ΟΖ, Ω - вектор скорости вращения Земли.In FIG. Figure 2 shows an angular velocity sensor mounted on a moving platform in accordance with the analogue solution [11] and introduced a coordinate system whose axis Ζ is directed along the axis of rotation of the platform, the X axis is perpendicular to the plane of the toroid, i.e. along the sensitivity axis of the angular motion sensor. The Y axis complements the coordinate system to the right triple, α is the angle of inclination of the axis of rotation relative to the vertical, β is the angle between the plane ΟΧΖ and the plane containing the axis Ζ and the gravity vector g, γ is the angle between OZ and the direction of the local meridian, φ is counted against clockwise, the angle between the planes ΟΧΖ and the plane (φ 0 is the corresponding angle at the initial moment of time) containing the vector of the angular velocity of rotation of the Earth and the axis ΟΖ, Ω is the vector of the speed of rotation of the Earth.

На фиг. 3 показаны примеры кривых установления межэлектродного тока в молекулярно-электронном датчике угловых скоростей после подачи потенциала на электроды. Синяя - кривая - неподвижная платформа, красная - вибрирующая с малой амплитудой платформа.In FIG. Figure 3 shows examples of the curves for establishing the interelectrode current in a molecular electronic angular velocity sensor after applying a potential to the electrodes. Blue - a curve - a motionless platform, red - a platform vibrating with small amplitude.

Способ может быть реализован на основе устройства для определения направления на географический север, которое содержит помимо датчика угловой скорости, установленного и приводимого в движение в соответствии с решением аналога [11], также датчик, чувствительный к изменению угла наклона, при помощи которого выполняется коррекция ошибок, связанных с чувствительностью датчика угловых движений к наклонам оси вращения. В свою очередь учет ошибок производится путем исключения сигналов, вызванных указанными наклонами с использованием показаний установленного на ту же платформу датчика, чувствительного к изменениям угла наклона из сигнала датчика угловых движений.The method can be implemented on the basis of a device for determining the direction to geographic north, which contains, in addition to the angular velocity sensor installed and set in motion in accordance with the solution of the analogue [11], also a sensor sensitive to a change in the angle of inclination, by which error correction related to the sensitivity of the sensor of angular movements to the inclination of the axis of rotation. In turn, errors are recorded by eliminating signals caused by the indicated inclinations using the readings of a sensor installed on the same platform that is sensitive to changes in the angle of inclination from the signal of the angular motion sensor.

Определение направления на географический север с высокой точностью сопоставимой с точностью современных прецизионных гирокомпасов без специального высокоточного горизонтирования обеспечивается путем компенсации возмущения выходного сигнала устройства, вызванного изменением выходного сигнала датчика при изменении его ориентации по отношению к силе тяжести.The determination of the direction to the geographical north with high accuracy comparable with the accuracy of modern precision gyrocompasses without special high-precision leveling is provided by compensating for the disturbance of the output signal of the device caused by a change in the output signal of the sensor when its orientation changes with respect to gravity.

Одна из проблем, которая должна быть решена для эффективного использования молекулярно-электронных датчиков угловых движений для определения направления на географический север состоит в компенсации возмущений выходного сигнала, вызванных изменением выходного сигнала датчика при изменении его ориентации по отношению к силе тяжести. В описании к патенту [11] предлагается решение, связанное с точным выставлением оси вращения платформы по направлению местной вертикали. Действительно, в этом случае, вращение не приводит к изменению ориентации датчика по отношению к силе тяжести. Тем не менее, указанное решение не всегда может быть реализовано технически с необходимой точностью. Более того, в предлагаемом в патенте [11] устройстве не предусматривается каких-то приспособлений для контроля вертикальности оси вращения платформы и, при необходимости, коррекции ее положения. Определим, каким образом могут быть скорректированы ошибки, связанные с изменением его положения относительно силы тяжести, если ось вращения платформы не является вертикальной. Для этого рассмотрим Фиг. 2 датчик, вращающийся относительно одной из осей, расположенных в плоскости тороидального канала его корпуса. Введем систему координат, ось Z которой направим вдоль оси вращения платформы, ось X ориентируем перпендикулярно плоскости тороида, т.е. вдоль оси чувствительности датчика угловых движений. Ось Y дополняет систему координат до правой тройки. Введем следующие обозначения: α - угол наклона оси вращения относительно вертикали, β - угол между плоскостью OXZ и плоскостью, содержащей ось Z и вектор g силы тяжести. Тогда проекции вектора силы тяжести на оси выбранной системы координат составят:One of the problems that must be solved for the effective use of molecular-electronic angular motion sensors to determine the direction to the geographic north is to compensate for disturbances in the output signal caused by a change in the output signal of the sensor when its orientation changes with respect to gravity. In the description of the patent [11], a solution is proposed related to the exact exposure of the axis of rotation of the platform in the direction of the local vertical. Indeed, in this case, rotation does not change the orientation of the sensor with respect to gravity. However, this solution cannot always be implemented technically with the necessary accuracy. Moreover, the device proposed in the patent [11] does not provide any devices for controlling the verticality of the axis of rotation of the platform and, if necessary, correcting its position. Let us determine how errors related to a change in its position with respect to gravity can be corrected if the axis of rotation of the platform is not vertical. For this, consider FIG. 2 sensor rotating relative to one of the axes located in the plane of the toroidal channel of its housing. We introduce a coordinate system whose Z axis is directed along the axis of rotation of the platform, the X axis is oriented perpendicular to the plane of the toroid, i.e. along the sensitivity axis of the angular motion sensor. The Y axis complements the coordinate system to the right triple. We introduce the following notation: α is the angle of inclination of the axis of rotation relative to the vertical, β is the angle between the OXZ plane and the plane containing the Z axis and the gravity vector g. Then the projection of the gravity vector on the axis of the selected coordinate system will be:

Figure 00000003
Figure 00000003

Пусть, кроме того, γ - угол между OZ и направлением местного меридиана, φ - отсчитываемый против часовой стрелки угол между плоскостями OXZ и плоскостью, содержащей вектор угловой скорости вращения Земли и ось OZ. Тогда проекция угловой скорости вращения Земли Ω на ось чувствительности датчика составит:Suppose, in addition, that γ is the angle between OZ and the direction of the local meridian, φ is the counterclockwise angle between the OXZ planes and the plane containing the angular velocity vector of the Earth's rotation and the OZ axis. Then the projection of the angular velocity of the Earth’s rotation Ω on the sensitivity axis of the sensor will be:

Figure 00000004
Figure 00000004

Если бы жидкость в тороидальном канале датчика угловых движений была строго однородна, то момент сил инерции, создающих циркуляцию жидкости в канале, составил бы M = m R 2 Ω ˙ x

Figure 00000005
. В реальности плотность жидкости не является строго постоянной, а зависит, в частности, от изменения ее концентрации или наличия температурных градиентов. Не делая каких-то априорных предположений о характере распределения плотности, в рамках линейного отклика, момент сил, приводящих в движение жидкость, находящуюся в канале тороида, может быть записан в виде:If the fluid in the toroidal channel of the angular motion sensor were strictly homogeneous, then the moment of inertia forces creating the fluid circulation in the channel would be M = m R 2 Ω ˙ x
Figure 00000005
. In reality, the density of the liquid is not strictly constant, but depends, in particular, on a change in its concentration or the presence of temperature gradients. Without making any a priori assumptions about the nature of the density distribution, within the framework of the linear response, the moment of forces driving a fluid located in the toroid channel can be written in the form:

Figure 00000006
Figure 00000006

Коэффициенты Az, Ay учитывают неоднородность распределения плотности жидкости в канале тороида и вызванную этой неоднородностью чувствительность датчика к линейным ускорениям. В данном расчете указанные коэффициенты следует рассматривать как априорно неизвестные и подлежащие определению на основе экспериментальных данных.The coefficients A z , A y take into account the heterogeneity of the distribution of fluid density in the channel of the toroid and the sensitivity of the sensor to linear accelerations caused by this heterogeneity. In this calculation, these coefficients should be considered as a priori unknown and subject to determination on the basis of experimental data.

Предположим, что платформа приходит во вращение против часовой стрелки с угловой скоростью ω. Тогда:Suppose that the platform rotates counterclockwise with an angular velocity ω. Then:

Figure 00000007
Figure 00000007

Здесь β0, ϕ0 - значения соответствующих углов в начальный момент времени t=0. Подставляем (1), (2), (4) в (3) и, сохраняя только слагаемые, зависящие от времени, получим:Here β 0 , ϕ 0 are the values of the corresponding angles at the initial time t = 0. We substitute (1), (2), (4) in (3) and, preserving only the time-dependent terms, we obtain:

Figure 00000008
Figure 00000008

Обозначим через W(ω) комплексный коэффициент преобразования момента сил М в выходной сигнал датчика. Используя (5), находим для выходного сигнала при вращении против часовой стрелки:Let W (ω) denote the complex coefficient of transformation of the moment of forces M into the output signal of the sensor. Using (5), we find for the output signal when rotating counterclockwise:

Figure 00000009
Figure 00000009

Здесь fE=mR2Ωωsinγ; fG=Aygsinα.Here f E = mR 2 Ωωsinγ; f G = A y gsinα.

Аналогично, для вращения в противоположную сторону:Similarly, to rotate in the opposite direction:

Figure 00000010
Figure 00000010

Вычисляя отношение (6) к (7), находим:Calculating the ratio of (6) to (7), we find:

Figure 00000011
Figure 00000011

Здесь G = f G f E

Figure 00000012
, R, ε, соответственно, амплитуда и фаза соотношения U c c w ( ω ) U c w ( ω )
Figure 00000013
. Поскольку Uccw, Ucw - экспериментально определяемые выходные сигнала датчика угловых движений. Соответственно, R, ε следует рассматривать как величины, определяемые из эксперимента. Решая (8), относительно G, найдем:Here G = f G f E
Figure 00000012
, R, ε, respectively, the amplitude and phase of the relation U c c w ( ω ) U c w ( ω )
Figure 00000013
. Since U ccw , U cw are the experimentally determined output signals of the angular motion sensor. Accordingly, R, ε should be considered as quantities determined from experiment. Solving (8), with respect to G, we find:

Figure 00000014
Figure 00000014

Учитываем, что G является действительной величиной, и получаем:We take into account that G is a real value, and we get:

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

Таким образом, если бы было известно направление наклона оси вращения (угол β0 в нашем описании), то ошибку, связанную с отклонением оси вращения платформы от вертикали, можно было бы исключить и определить направление угловой скорости вращения Земли относительно начального положения платформы путем определения ϕ0 из уравнения (10).Thus, if the direction of inclination of the axis of rotation (angle β 0 in our description) were known, then the error associated with the deviation of the axis of rotation of the platform from the vertical could be eliminated and the direction of the angular velocity of the Earth's rotation relative to the initial position of the platform could be determined by determining ϕ 0 from equation (10).

В свою очередь, для определения угла β0 можно предложить следующий метод:In turn, to determine the angle β 0 , the following method can be proposed:

Одновременно с датчиком угловых скоростей на платформу помещается датчик, чувствительный к гравитации (углу наклона), например, акселерометр.Simultaneously with the angular velocity sensor, a sensor sensitive to gravity (inclination angle), for example, an accelerometer, is placed on the platform.

Пусть, для простоты, ось чувствительности указанного акселерометра направлена по оси OY, т.е. лежит в плоскости тороида. Тогда, измеряемые в эксперименте выходные сигналы акселерометра, при вращении против или по часовой стрелки, задаются следующими выражениями:Let, for simplicity, the sensitivity axis of the indicated accelerometer be directed along the OY axis, i.e. lies in the plane of the toroid. Then, the accelerometer output signals measured in the experiment, when rotating counterclockwise or clockwise, are given by the following expressions:

Figure 00000017
Figure 00000017

Для отношения выходных сигналов:For the ratio of output signals:

Figure 00000018
Figure 00000018

Отсюда:From here:

Figure 00000019
Figure 00000019

что позволяет определить неизвестный угол β0, на основании экспериментально определенной величины δ. Совместное решений (10) и (14) позволяют найти, в частности ϕ0, т.е. направление на географический север, исключив ошибки, связанные с влиянием поля тяжести на выходной сигнал датчика угловых скоростей. Отметим, что выбор между знаками «+» и «-» в выражении (18) не влияет на результат.which allows us to determine the unknown angle β 0 , based on the experimentally determined value δ. The combined solutions of (10) and (14) allow us to find, in particular, ϕ 0 , i.e. direction to the geographical north, eliminating errors associated with the influence of the gravity field on the output signal of the angular velocity sensor. Note that the choice between the signs “+” and “-” in expression (18) does not affect the result.

Из приведенного анализа видно, что описанные методы и полученные математические выражения применимы только при условии, что коэффициенты fE, fG не изменяются в ходе измерений. При этом, коэффициент fG определяется характером распределением плотности жидкости в тороидальном канале преобразователя. В свою очередь, плотность жидкости зависит от распределения температуры и концентрации в рабочем канале. Как температура, так и концентрация зависят от времени, прошедшего после подачи напряжения между электродами преобразующего элемента.From the above analysis it is seen that the described methods and the obtained mathematical expressions are applicable only under the condition that the coefficients f E , f G do not change during measurements. Moreover, the coefficient f G is determined by the nature of the distribution of fluid density in the toroidal channel of the transducer. In turn, the density of the liquid depends on the distribution of temperature and concentration in the working channel. Both temperature and concentration depend on the time elapsed after applying voltage between the electrodes of the converting element.

С другой стороны, установление распределения плотности жидкости сопровождается изменением межэлектродного тока в преобразующем элементе. Типичную зависимость межэлектродного тока от времени иллюстрируют кривые, показанные на фиг. 3. Синяя кривая на фигуре 3 представляет установление межэлектродного тока в состоянии покоя, а для красной кривой платформа не вращается, однако вибрирует с небольшой амплитудой. Видно, что вибрации приводят к более быстрому установлению межэлектродного тока. В данном примере время стабилизации уменьшилось с 60000 сек до 30000 сек, т.е. в два раза. Стабилизация межэлектродного тока, измеренного в покое свидетельствует о завершении установления распределения концентрации и температуры в рабочем канале, а, следовательно, плотности рабочей жидкости. В свою очередь, это означает стабильность fE и fG и возможность использования представленного выше способа обработки данных.On the other hand, the establishment of the distribution of the density of the liquid is accompanied by a change in the interelectrode current in the converting element. A typical time-dependent interelectrode current is illustrated by the curves shown in FIG. 3. The blue curve in figure 3 represents the establishment of the interelectrode current at rest, and for the red curve, the platform does not rotate, but vibrates with a small amplitude. It can be seen that the vibrations lead to a more rapid establishment of the interelectrode current. In this example, the stabilization time decreased from 60,000 seconds to 30,000 seconds, i.e. twice. The stabilization of the interelectrode current measured at rest indicates the completion of the establishment of the distribution of concentration and temperature in the working channel, and, consequently, the density of the working fluid. In turn, this means the stability of f E and f G and the possibility of using the above data processing method.

Как видно из представленных кривых, время установления может оказаться весьма значительным. С точки зрения большинства практических приложений, это время должно быть существенно уменьшено. Возможными способами его уменьшения может быть перемешивание жидкости в канале преобразователя путем приложения вибраций к платформе, которое осуществляют в течение 5-60 минут, как это иллюстрирует фиг. 3. При этом, путем регулирования амплитуды вибраций, интенсивность перемешивания можно сделать значительно большей, а значит - существенно уменьшить время стабилизации.As can be seen from the presented curves, the settling time can be very significant. From the point of view of most practical applications, this time should be significantly reduced. Possible ways to reduce it may be mixing the liquid in the channel of the transducer by applying vibrations to the platform, which is carried out for 5-60 minutes, as illustrated in FIG. 3. At the same time, by regulating the amplitude of the vibrations, the intensity of mixing can be made much larger, which means significantly reducing the stabilization time.

Другой способ выравнивания концентрации рабочей жидкости состоит в размещения дополнительных электродов, находящихся при одинаковом потенциале, в рабочем канале преобразователя. Механизм выравнивания концентрации состоит в том, что на электродах происходит обратимая электрохимическая реакцияAnother way to equalize the concentration of the working fluid is to place additional electrodes at the same potential in the working channel of the converter. The concentration equalization mechanism consists in the fact that a reversible electrochemical reaction occurs on the electrodes

Figure 00000020
Figure 00000020

Преимущественное направление реакции зависит, при фиксированном потенциале электрода от концентрации участвующих в реакции компонентов. В тех областях жидкости, примыкающих к электродам, где концентрация активного компонента I 3

Figure 00000021
будет относительно более высокой, более интенсивно будет идти прямая реакция, в областях с относительно меньшей концентрацией - обратная реакция. Суммарным результатом электрохимических реакций будет быстрое установление пространственно однородной концентрации.The preferred direction of the reaction depends, with a fixed electrode potential, on the concentration of the components involved in the reaction. In those areas of the fluid adjacent to the electrodes, where the concentration of the active component I 3 -
Figure 00000021
it will be relatively higher, the direct reaction will be more intense, in the areas with a relatively lower concentration the reverse reaction will occur. The total result of electrochemical reactions will be the rapid establishment of a spatially uniform concentration.

Источники информации.Information sources.

1. Ю.А. Лукомский, В.Г. Пешехонов, Д.А. Скороходов, Навигация и управление движением судов. СПб.: "Элмор", 2002. 360 с.1. Yu.A. Lukomsky, V.G. Peshekhonov, D.A. Skorokhodov, Navigation and traffic management. St. Petersburg: "Elmore", 2002.360 s.

2. J. Reiner, M. Naroditsky, Patent No US 6502055 B1, G06F 15/00.2. J. Reiner, M. Naroditsky, Patent No. US 6502055 B1, G06F 15/00.

3. D.H. Titterton, J.L. Weston, "Strapdown inertial navigation technology", ISBN 0863412602, IEE Publishing, England.3. D.H. Titterton, J.L. Weston, "Strapdown inertial navigation technology", ISBN 0863412602, IEE Publishing, England.

4. Б. Блажнов, Л. Нестерюк, В. Пешехонов, Л. Старосельцев, ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, технология, Бизнес, 5/2001, С. 56-59.4. B. Blazhnov, L. Nesteryuk, V. Peshekhonov, L. Staroseltsev, ELECTRONICS: Science, Technology, Business, 5/2001, P. 56-59.

5. В.А. Козлов, Успехи современной радиоэлектроники, №5-6, 2004, С. 138-144.5. V.A. Kozlov, Advances in Modern Radio Electronics, No. 5-6, 2004, S. 138-144.

6. Сафонов М.В., Агафонов В.М., Козлов В.А. Перспективы применения молекулярно-электронных сенсоров вращательного движения в различных научно-технических областях // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий / Материалы X Международной конференции и Российской научной школы. Часть 1. - М.: Радио и связь, 2005, С. 108.6. Safonov M.V., Agafonov V.M., Kozlov V.A. Prospects for the use of molecular-electronic sensors of rotational motion in various scientific and technical fields // System Problems of Reliability, Quality, Information and Electronic Technologies / Materials of the X International Conference and the Russian Scientific School. Part 1. - M .: Radio and communications, 2005, S. 108.

7. Козлов В.А., Сафонов М.В. и др. "Молекулярно-электронное устройство для измерения угловых движений", патент РФ на изобретение №2324946, заявка №2005130308/28(033961), 2005.7. Kozlov V.A., Safonov M.V. and others. "Molecular electronic device for measuring angular movements", patent of the Russian Federation for the invention No. 2323946, application No. 2005130308/28 (033961), 2005.

8. Зайцев Д.Л., Козлов В.А., Сафонов М.В. и др. "Способ изготовления электродного узла молекулярно-электронного измерителя линейных и угловых движений с низким уровнем собственных шумов", Заявка на патент №2006131449/280(034193), 2006.8. Zaitsev D.L., Kozlov V.A., Safonov M.V. and others. "A method of manufacturing an electrode assembly of a molecular-electronic meter of linear and angular movements with a low level of intrinsic noise", Patent Application No. 2006131449/280 (034193), 2006.

9. Бугаев А.С., Сафонов М.В. "Молекулярно-электронное устройство для измерения механических движений", патент РФ на полезную модель №82 862 U1, заявка №2008144490/22, 2008.9. Bugaev A.S., Safonov M.V. "Molecular-electronic device for measuring mechanical movements", RF patent for utility model No. 82 862 U1, application No. 2008144490/22, 2008.

10. Зайцев Д.Л., Егоров Е.В., Егоров И.В. "Создание новой элементной базы для инерциальной навигации на основе молекулярно-электронной технологии" // Материалы Всероссийской конференции аспирантов и студентов "Индустрия наносистем и материалы", г. Зеленоград, 2006 г. С. 105-109.10. Zaitsev D.L., Egorov E.V., Egorov I.V. “Creation of a new element base for inertial navigation based on molecular-electronic technology” // Materials of the All-Russian Conference of Graduate Students and Students “Industry of Nanosystems and Materials”, Zelenograd, 2006. P. 105-109.

11. Патент РФ на полезную модель №89895 «Устройство для определения направления на географический север», авторы: Агафонов В.М., Бугаев А.С., Зайцев Д.Л., Сафонов М.В., заявка №2009130794, опубл. 20.12.2009.11. RF patent for utility model No. 89895 "Device for determining directions to the geographic north", authors: Agafonov V. M., Bugaev A. S., Zaitsev D. L., Safonov M. V., application No. 2009130794, publ. . 12/20/2009.

12. Патент US 2007095124.12. Patent US 2007095124.

13. Заявка №2012112374 от 02.04.2012 Способ определения направления на географический север с использованием сигнала молекулярно-электронного датчика угловых движений и компенсацией ошибок, связанных с влиянием линейных ускорений, авторы Агафонов В.М., Антонов А.Н., Зайцев Д.Л.13. Application No. 20112112374 dated 02.04.2012 A method for determining the direction to the geographic north using the signal of a molecular-electronic sensor of angular movements and compensation for errors associated with the influence of linear accelerations, authors Agafonov VM, Antonov AN, Zaitsev D. L.

Claims (4)

1. Способ определения направления на географический север, заключающийся в совместной обработке выходных сигналов молекулярно-электронного датчика угловой скорости и датчика наклона, установленных на единой платформе, способной вращаться с угловой скоростью, изменяющейся по знаку и абсолютной величине, при котором осуществляют вращение платформы последовательно против и по часовой стрелке с одинаковой по абсолютной величине угловой скоростью, а направление на географический север определяют из следующего уравнения:
(1+R2)sin(ϕ00)-2Rsin(ε-ϕ00)=0,
где R и ε - отношение амплитуд сигналов и разность фаз сигналов датчика угловых скоростей на частоте вращения при вращении против и по часовой стрелке,
φ0 - искомый угол, определяющий направление на географический север, относительно начального положения платформы,
β0 - угол, определяемый по показаниям датчика наклона согласно выражению:
β0=δ/2±π/2,
где δ - разность фаз сигналов датчика наклона при вращениях против и по часовой стрелке,
отличающийся тем, что вращение платформы осуществляют с момента наступления стабилизации электродных токов неподвижного молекулярно-электронного датчика угловых скоростей, причем предварительно механически перемешивают жидкость в канале датчика угловой скорости путем вибраций платформы или помещают в жидкости вне области расположения преобразующего элемента датчика угловой скорости дополнительные электроды, находящиеся при одинаковом электрическом потенциале.
1. The method of determining the direction to the geographic north, which consists in the joint processing of the output signals of the molecular-electronic sensor of angular velocity and inclination sensor installed on a single platform that can rotate with an angular speed that changes in sign and absolute value, at which the platform is rotated sequentially against and clockwise with the same absolute value of the angular velocity, and the direction to the geographic north is determined from the following equation:
(1 + R 2 ) sin (ϕ 00 ) -2Rsin (ε-ϕ 00 ) = 0,
where R and ε are the ratio of the amplitudes of the signals and the phase difference of the signals of the angular velocity sensor at a frequency of rotation when rotating counterclockwise and clockwise,
φ 0 - the desired angle that determines the direction to the geographical north, relative to the initial position of the platform,
β 0 - the angle determined by the readings of the tilt sensor according to the expression:
β 0 = δ / 2 ± π / 2,
where δ is the phase difference of the signals of the tilt sensor during counterclockwise and clockwise rotation,
characterized in that the rotation of the platform is carried out from the moment of stabilization of the electrode currents of the stationary molecular electronic angular velocity sensor, moreover, the liquid is mechanically pre-mixed in the channel of the angular velocity sensor by vibration of the platform or additional electrodes located in the liquid outside the transducer element of the angular velocity sensor are located with the same electric potential.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчика наклона используют акселерометр.2. The method according to p. 1, characterized in that an accelerometer is used as an inclination sensor. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчика наклона используют наклономер.3. The method according to p. 1, characterized in that as a tilt sensor use an inclinometer. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчика наклона используют датчик линейной скорости. 4. The method according to p. 1, characterized in that the linear speed sensor is used as an inclination sensor.
RU2014148638/28A 2014-12-03 2014-12-03 Method of determining direction of geographic north using molecular-electronic angular speed sensor and inclination angle sensor RU2578049C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014148638/28A RU2578049C1 (en) 2014-12-03 2014-12-03 Method of determining direction of geographic north using molecular-electronic angular speed sensor and inclination angle sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014148638/28A RU2578049C1 (en) 2014-12-03 2014-12-03 Method of determining direction of geographic north using molecular-electronic angular speed sensor and inclination angle sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2578049C1 true RU2578049C1 (en) 2016-03-20

Family

ID=55648144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014148638/28A RU2578049C1 (en) 2014-12-03 2014-12-03 Method of determining direction of geographic north using molecular-electronic angular speed sensor and inclination angle sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2578049C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775858C2 (en) * 2020-12-02 2022-07-11 Владимир Алексеевич Шульгин Method for navigating the coriolis force vector of the earth and a device for its implementation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6502055B1 (en) * 1999-04-28 2002-12-31 Rafael-Armament Development Authority Ltd. Method and apparatus for determining the geographic heading of a body
RU2340875C1 (en) * 2007-06-13 2008-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики им. академика Н.А. Семихатова" Azimuth determination method using angular velocity sensor
RU89895U1 (en) * 2009-08-13 2009-12-20 Общество с ограниченной ответственностью "Р-сенсорс" DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION TO THE GEOGRAPHIC NORTH
RU2463558C1 (en) * 2008-12-22 2012-10-10 Сажем Дефанс Секюрите Method of determining heading towards geographical north using current coordinate inertial counter

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6502055B1 (en) * 1999-04-28 2002-12-31 Rafael-Armament Development Authority Ltd. Method and apparatus for determining the geographic heading of a body
RU2340875C1 (en) * 2007-06-13 2008-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики им. академика Н.А. Семихатова" Azimuth determination method using angular velocity sensor
RU2463558C1 (en) * 2008-12-22 2012-10-10 Сажем Дефанс Секюрите Method of determining heading towards geographical north using current coordinate inertial counter
RU89895U1 (en) * 2009-08-13 2009-12-20 Общество с ограниченной ответственностью "Р-сенсорс" DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION TO THE GEOGRAPHIC NORTH

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775858C2 (en) * 2020-12-02 2022-07-11 Владимир Алексеевич Шульгин Method for navigating the coriolis force vector of the earth and a device for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11220899B2 (en) Gyro measurement while drilling system and method therefor
Curey et al. Proposed IEEE inertial systems terminology standard and other inertial sensor standards
RU2395061C1 (en) Method to determine position of movable objects and integrated navigation system to this end
US2914763A (en) Doppler-inertial navigation data system
US4800501A (en) Vehicle land navigating device
CN111102993A (en) A method for initial alignment of the shaking base of a rotational modulation type SINS system
Zaitsev et al. Precession Azimuth Sensing with Low‐Noise Molecular Electronics Angular Sensors
CN109029500A (en) A kind of dual-axis rotation modulating system population parameter self-calibrating method
US10514261B2 (en) Gyromagnetic geopositioning system
CN108195400A (en) The moving alignment method of strapdown micro electro mechanical inertia navigation system
Cho et al. A calibration technique for a two‐axis magnetic compass in telematics devices
CN103743413A (en) Installation error online estimation and north-seeking error compensation method for modulating north seeker under inclined state
Song et al. A rapid and high-precision initial alignment scheme for dual-axis rotational inertial navigation system
Tian et al. A cosine-fitting self-alignment method of MEMS-based inertial navigation system consisting of a skew FOG
Zaitsev et al. Study of Systems Error Compensation Methods Based on Molecular‐Electronic Transducers of Motion Parameters
Zaitsev et al. Angular MET sensor for precise azimuth determination
RU2578049C1 (en) Method of determining direction of geographic north using molecular-electronic angular speed sensor and inclination angle sensor
CN104655123A (en) Method for determining rotational angular velocity of earth by utilizing fiber-optic gyroscope
RU89895U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION TO THE GEOGRAPHIC NORTH
Dorobantu et al. Investigation of a navigation grade RLG SIMU type INAV-RQH
JACKSON Continuous calibration and alignment techniques for an all-attitude inertial platform
Lathrop et al. Magnetic sensor compensation utilizing factor graph estimation
RU2250993C1 (en) Method for determining azimuth and zenith angle of well
RU2507392C1 (en) Method for zenith angle and drift direction determination and gyroscopic inclinometer
RU2509979C1 (en) Method of autonomous azimuthal orientation of platform of three-axial gyrostabiliser by varying points of correction

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190523

Effective date: 20190523

TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -QB4A- IN JOURNAL 15-2019