RU2804444C1

RU2804444C1 - Method for measuring the ship's magnetic heading using a correction system

Info

Publication number: RU2804444C1
Application number: RU2023116929A
Authority: RU
Inventors: Юрий Вадимович Матвеев; Татьяна Владимировна Падерина; Дмитрий Геннадиевич Грязин
Original assignee: Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Filing date: 2023-06-27
Publication date: 2023-09-29

Abstract

FIELD: navigational instrumentation.

SUBSTANCE: used in marine magnetic compasses (MC). The essence of the proposed method for measuring the magnetic heading of a ship while rolling is to combine the output signals of a micromechanical gyroscope (MMG) and a magnetic heading sensor (MHS) using high-pass filters (HPF) and low-pass filters (LPF). In this case, at the output of the correction system, a heading angle is formed, which is a combination of low-frequency and high-frequency components, respectively, MHS and MMG. In addition, when implementing the claimed method, the invariance condition is met, in which the sum of the transfer functions of the HPF and the LPF is equal to one - for this purpose, two additional amplifiers are introduced into the correction system: a MHS signal amplifier with a gain K₁=1, as well as an MMG signal amplifier with a gain K₂=T equal to the LPF time constant.

EFFECT: increasing the accuracy of developing the MC heading when following a vessel on any course.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано как в обычных, так и в высокоширотных главных судовых магнитных компасах, оборудованных устройствами дистанционной передачи информации о курсе. The invention relates to the field of navigation instrument making and can be used in both conventional and high-latitude main ship magnetic compasses equipped with devices for remote transmission of heading information.

Известны дистанционные магнитные компасы (далее - МК), содержащие корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, картушку с магнитным чувствительным элементом (далее - МЧЭ), установленную на опоре, индукционный преобразователь, размещенный в магнитном поле МЧЭ, девиационный прибор, содержащий компенсатор полукруговой девиации компаса, и электромеханическую дистанционную передачу, например, магнитные компасы "Сектор" [Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. Магнитные компасы // М.: Транспорт, 1981, стр.173-180] и КМ145-С [Кардашинский-Брауде Л.А. Современные судовые магнитные компасы //СПб. ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 1999, стр.60-62]. Known remote magnetic compasses (hereinafter referred to as MK), containing a housing filled with a damping liquid, a card with a magnetic sensitive element (hereinafter referred to as MSE) mounted on a support, an induction transducer placed in the magnetic field of the MSE, a deviation device containing a compensator for semicircular deviation of the compass, and electromechanical remote transmission, for example, magnetic compasses "Sector" [Kozhukhov V.P., Voronov V.V., Grigoriev V.V. Magnetic compasses // M.: Transport, 1981, pp. 173-180] and KM145-S [Kardashinsky-Braude L.A. Modern ship magnetic compasses // St. Petersburg. State Scientific Center of the Russian Federation Central Research Institute "Electropribor", 1999, pp.60-62].

К недостаткам способа измерения магнитного курса, реализуемого в этих МК относится то, что в условиях плавания судна появляется динамическая погрешность компаса, обусловленная, прежде всего, воздействием на картушку с МЧЭ центростремительного и тангенциального ускорения от воздействия качки [Рыбалтовский Н.Ю. Магнитно-компасное дело // Л.: Государственное издательство водного транспорта, 1954, стр. 441]. Появление этих ускорений обусловлено тем, что компас установлен на некотором плече относительно центра качания судна [Ривкин С.С. Определение линейных скоростей и ускорений качки корабля инерциальным методом. Часть I. Линейные скорости и ускорения качки корабля. ЦНИИ «Румб», 1980, стр.19]. Поскольку картушка МК имеет свойства короткопериодного маятника, она отклоняется от горизонтального положения под воздействием этих ускорений, что вызывает появление в плоскости диска картушки проекции вертикальной составляющей земного магнетизма, приводящее к динамической погрешности МК. Особенно велико значение динамической погрешности при плавании в высоких широтах, так как горизонтальная составляющая магнитного поля Земли там незначительна.The disadvantages of the method of measuring the magnetic heading implemented in these MCs include the fact that in the conditions of navigation of the vessel, a dynamic error of the compass appears, caused, first of all, by the impact on the card with the MSE of centripetal and tangential acceleration from the influence of pitching [Rybaltovsky N.Yu. Magnetic compass business // Leningrad: State Publishing House of Water Transport, 1954, p. 441]. The appearance of these accelerations is due to the fact that the compass is installed on a certain arm relative to the center of the ship's swing [Rivkin S.S. Determination of linear velocities and rolling accelerations of a ship using the inertial method. Part I. Linear velocities and accelerations of ship rolling. Central Research Institute "Rumb", 1980, p. 19]. Since the MK card has the properties of a short-period pendulum, it deviates from the horizontal position under the influence of these accelerations, which causes the appearance of a projection of the vertical component of the earth's magnetism in the plane of the card disk, leading to a dynamic MK error. The value of the dynamic error is especially large when sailing at high latitudes, since the horizontal component of the Earth's magnetic field there is insignificant.

За прототип способа принято техническое решение, приведенное в [патент РФ №2763685], в котором с целью подавления динамической погрешности, возникающей при воздействии качки, применяется система коррекции, использующая микромеханический датчик угловой скорости (далее - ММГ) с вертикально расположенной осью чувствительности, установленный на котелке МК. При этом коррекция производится по угловой скорости и в её основе лежит дифференцирование показаний датчика магнитного курса (далее – ДМК) компаса и вычисление разности между сигналами с выхода дифференцирующего звена и ДМК. К недостатку прототипа относится то, что для реализации такой системы коррекции требуется достаточно сложный алгоритм устранения разрыва производной при дифференцировании сигналов ДМК в области перехода угла магнитного курса с 0° на угол 360°. Указанный алгоритм требует дополнительных вычислительных ресурсов и занимает значительный объём оперативной памяти вычислителя, что может привести к снижению точности выработки курса МК во время следования судна, в частности, курсом ноль градусов. The prototype of the method is based on the technical solution given in [RF patent No. 2763685], in which, in order to suppress the dynamic error that occurs when exposed to pitching, a correction system is used using a micromechanical angular velocity sensor (hereinafter referred to as MMG) with a vertically located sensitivity axis installed on the MK pot. In this case, the correction is made according to the angular velocity and is based on differentiating the readings of the magnetic heading sensor (hereinafter referred to as the DMK) of the compass and calculating the difference between the signals from the output of the differentiating link and the DMK. The disadvantage of the prototype is that to implement such a correction system, a rather complex algorithm for eliminating the discontinuity of the derivative when differentiating DMC signals in the region of transition of the magnetic course angle from 0° to an angle of 360° is required. The specified algorithm requires additional computing resources and takes up a significant amount of computer RAM, which can lead to a decrease in the accuracy of the development of the MC course while the vessel is following, in particular, at a course of zero degrees.

Решаемая техническая проблема - разработка способа измерения магнитного курса на качке без применения дифференцирования сигналов ДМК, но с применением в системе коррекции МК легкореализуемой задачи фильтрации, позволяющей получить значение угла курса с помощью комплексирования показаний ДМК и ММГ.The technical problem to be solved is the development of a method for measuring the magnetic heading on a roll without using differentiation of MMC signals, but using an easily implemented filtering task in the MK correction system, which allows one to obtain the value of the heading angle by combining the readings of the MMC and MMG.

Достигаемый технический результат – повышение точности выработки курса МК при следовании судна любым курсом, в частности, курсом ноль градусов. The achieved technical result is an increase in the accuracy of developing the MK course when the vessel is following any course, in particular, a course of zero degrees.

ММГ с вертикально расположенной осью чувствительности измеряет угловую скорость изменения курса, и, в силу присутствия низкочастотных составляющих дрейфа, может использоваться для выработки угла курса, только ограниченное время. В то же время требуемая точность выработки угла курса МК обеспечивается только в отсутствии качки и, соответственно, действия динамической погрешности. MMG with a vertically located sensitivity axis measures the angular rate of heading change, and, due to the presence of low-frequency drift components, can be used to generate a heading angle only for a limited time. At the same time, the required accuracy of developing the MC heading angle is ensured only in the absence of pitching and, accordingly, the effect of dynamic error.

С целью уменьшения динамической погрешности от качки судна предлагаемый способ измерения магнитного курса должен объединить показания ММГ и ДМК при помощи фильтра верхних частот (далее - ФВЧ) и фильтра нижних частот (далее - ФНЧ) таким образом, чтобы на выходе системы коррекции формировался угол курса, представляющий комбинацию низкочастотной и высокочастотной составляющих, соответственно, ДМК и ММГ. В этом случае в системе коррекции производится компенсация дрейфа нуля ММГ с помощью ФВЧ и динамической погрешности от качки судна в показании ДМК с помощью ФНЧ.In order to reduce the dynamic error from the ship's motion, the proposed method for measuring the magnetic heading should combine the readings of the MMG and DMC using a high-pass filter (hereinafter - HPF) and a low-pass filter (hereinafter - LPF) so that a heading angle is formed at the output of the correction system representing a combination of low-frequency and high-frequency components, respectively, DMC and MMG. In this case, the correction system compensates for the drift of the MMG zero using a high-pass filter and the dynamic error from the ship's pitch in the DMC reading using a low-pass filter.

Предлагаемый способ основан на обеспечении условия инвариантности, при выполнении которого применяемые в системе коррекции ФВЧ и ФНЧ не оказывают влияния на полезный сигнал – вырабатываемый угол курса. Для обеспечения этого условия необходимо, чтобы сумма передаточных функций ФВЧ и ФНЧ всегда равнялась единице.The proposed method is based on ensuring the invariance condition, under which the high-pass filter and low-pass filter used in the correction system do not affect the useful signal - the generated heading angle. To ensure this condition, it is necessary that the sum of the transfer functions of the high-pass filter and low-pass filter always equals one.

В простейшем случае в качестве ФВЧ и ФНЧ можно воспользоваться соответствующими динамическими звеньями с передаточными функциями и , где - постоянная времени ФВЧ, - постоянная времени ФНЧ, p = оператор дифференцирования. Равенство суммы передаточных функций ФВЧ и ФНЧ единице достигается при условии равенства постоянных времени ==.In the simplest case, the corresponding dynamic links with transfer functions can be used as a high-pass filter and low-pass filter And , Where - high-pass filter time constant, - low-pass filter time constant, p = differentiation operator. The equality of the sum of the transfer functions of the high-pass filter and the low-pass filter to the unit is achieved under the condition that the time constants are equal = = .

Для того, чтобы на выходе системы коррекции формировался угол курса по показаниям ДМК и ММГ, необходимо чтобы сигнал ММГ был вначале проинтегрирован, т.е. пропущен через звено , и только потом к полученному выходному сигналу интегратора может быть применен ФВЧ - . Поскольку в результате такого последовательного соединения динамических звеньев образуется передаточная функция - , то, выходной сигнал ММГ может быть пропущен через усилитель с коэффициентом усиления и далее подан, также как и выходной сигнал ДМК, пропущенный через усилитель с коэффициентом усиления , непосредственно на вход ФНЧ: . In order for the heading angle to be formed at the output of the correction system according to the DMC and MMG readings, it is necessary that the MMG signal be first integrated, i.e. passed through the link , and only then can a high-pass filter be applied to the received output signal of the integrator - . Since as a result of such a sequential connection of dynamic links a transfer function is formed - , then the MMG output signal can be passed through an amplifier with a gain and then fed, just like the output signal of the DMC, passed through an amplifier with a gain , directly to the low-pass filter input: .

Таким образом, для выполнения условия инвариантности в систему коррекции вводятся два дополнительных усилителя: усилитель сигнала ДМК с коэффициентом усиления и усилитель сигнала ММГ с коэффициентом усиления . Сигналы с выходов усилителей далее поступают в вычислительное устройство, в котором производится выработка текущего значения угла курса.Thus, to fulfill the invariance condition, two additional amplifiers are introduced into the correction system: a DMC signal amplifier with a gain and MMG signal amplifier with gain . The signals from the outputs of the amplifiers then enter the computing device, which generates the current value of the heading angle.

На фиг. 1 показана блок-схема реализация предлагаемого способа измерения магнитного курса. Предлагаемый способ заключается в следующем: In fig. Figure 1 shows a block diagram of the implementation of the proposed method for measuring the magnetic course. The suggested method is as follows:

1. Выходной сигнал с ДМК поступает на усилитель с коэффициентом усиления , а выходной сигнал с ММГ на усилитель с коэффициентом усиления .1. The output signal from the DMC is fed to an amplifier with a gain , and the output signal from the MMG to the amplifier with a gain .

2. Сигнал с усилителя ДМК суммируется с сигналом с усилителя ММГ - , 2. Signal from the DMK amplifier summed with the signal from the MMG amplifier - ,

где- магнитный курс, Where - magnetic course,

- угол рыскания. - yaw angle.

3. Полученная сумма сигналов подаётся на вход ФНЧ с постоянной времени , а на выходе ФНЧ формируется сигнал , представляющий комбинацию низкочастотной и высокочастотной составляющих, соответственно, ДМК и ММГ, в котором отсутствует динамическая погрешность ДМК, возникающая при воздействии качки: 3. The resulting sum of signals is fed to the input of the low-pass filter with time constant , and a signal is generated at the output of the low-pass filter , representing a combination of low-frequency and high-frequency components, respectively, of the DMC and MMG, in which there is no dynamic error of the DMC that occurs when exposed to pitching:

4. Сигнал подаётся на выносной индикатор.4. Signal supplied to the remote indicator.

Результаты работы МК с предлагаемой системой коррекции, в которой отсутствует дифференцирование сигналов ДМК как в прототипе, полученные на основе компьютерного моделирования, а также результаты натурных испытаний разработанного макета прибора подтверждают возможность подавления динамической погрешности ДМК при воздействии качки не менее чем в десять раз на интервале времени не менее 200 часов и, соответственно, повышение точности выработки курса, при следовании судна любым курсом, в том числе, курсом ноль градусов. The results of the operation of the MK with the proposed correction system, in which there is no differentiation of the DMC signals as in the prototype, obtained on the basis of computer modeling, as well as the results of full-scale tests of the developed prototype of the device, confirm the possibility of suppressing the dynamic error of the DMC under the influence of pitching by at least ten times over a time interval at least 200 hours and, accordingly, increasing the accuracy of course development when the ship is following any course, including a course of zero degrees.

Таким образом, заявленный технический результат считается достигнутым.Thus, the declared technical result is considered achieved.

где- магнитный курс, Where - magnetic course,

- угол рыскания. - yaw angle.

Таким образом, заявленный технический результат считается достигнутым. Thus, the declared technical result is considered achieved.

Claims

A method for measuring the magnetic heading of a ship when heaving when the magnetically sensitive element of the compass card is exposed to the vertical component of the Earth's magnetic field, which consists in using signals from a magnetic heading sensor (MCS) and a micromechanical gyroscope (MMG) with a vertical axis of sensitivity mounted on the magnetic compass bowl, characterized in that that additional amplifiers of DMC and MMG signals with corresponding gain factors have been introduced into the correction system And , whose ratio is maintained equal to the time constant T of the low-pass filter , through which the sum of signals from the outputs of the amplifiers of these sensors is passed to calculate the heading angle based on the combination of low-frequency and high-frequency components of the DMC and MMG signals, respectively.