Бесплатформенные системы ориентации

Пространственные системы ориентации содержали гироплатформы, физически реализующие (с точностью до погрешностей) опорные системы координат, относительно которых определяется текущая угловая ориентация ЛА. Задача ориентации в этих системах решалась геометрически путем непосредственного измерения угловых отклонений, характеризующих взаимное положение корпуса прибора, связанного с ЛА, и гироплаформы.

Эта задача может быть решена аналитически на основе измерений отдельных угловых параметров движения ЛА при последующем преобразовании полученных сигналов или их интегрировании. Системы ориентации, чувствительные элементы которых (гироскопы, угловые акселерометры и др.) установлены на корпусе ЛА, а его положение относительно осей опорной системы координат вычисляется, называются безплатформенными или бескарданными(БСО). Обычно БСО входят в состав безплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) и обеспечивают решение задачи ориентации, заменяя собой инерциальную курсовертикаль (ИКВ) или гиростабилизированную платформу (ГПС). Они могут быть использованы и самостоятельно для определения угловой ориентации ЛА относительно какой-либо системы координат, неизменно ориентированной в инерциальном пространстве. Эта особенность обусловлена тем обстоятельством, что применяемые в качестве измерительных устройств гироскопы или угловые акселерометры способны измерять абсолютные угловые параметры движения, а не относительные.

Для определения ориентации ЛА относительно какой-либо вращающейся опорной системы координат (например, горизонтальной) необходимо знать угловую скорость ее вращения в инерциальном пространстве и учитывать эту скорость при вычислениях. При этом решение задачи относительно вращающейся опорной системы координат реализуется в схеме, когда БСО входит в состав БИНС, определяющий координаты местоположения ЛА и его линейную скорость полета в системе координат, связанной с Землей.

Основными достоинствами БСО и БИНС по сравнению с платформенными системами являются меньшие размеры и массы элементов и системы в целом; большая надежность системы; меньшее потребление электроэнергии; меньшая стоимость; простота эксплуатации и ремонта.

Вместе с тем на пути создания БСО и БИНС имеются серьезные технические трудности, главными из которых являются необходимость разработки гироскопов и акселерометров, обеспечивающих требуемую точность измерений в значительно более широком диапозоне изменения входных параметров и в более тяжелых условиях эксплуатации (на корпусе ЛА); значительно больший объем вычислений, вызванный необходимостью аналитического моделирования опорной системы координат и преобразования сигналов акселерометров и гироскопов; необходимость разработки совершенных методов начальной ориентации (выставки) и калибровки БСО и некоторые другие.

Следует также иметь в виду, что разработка БСО и БИНС ведется одновременно с совершенствованием принципов построения и конструкцией элементов ИНС платформенного типа. К настоящему времени получены достаточно высокие результаты в процессе производства гиростабилизированных платформ. Наряду с увеличением точности и повышением надежности здесь достигнуто снижение массовых и габаритных характеристики упрощение обслуживания.

Сравнительный анализ платформенных и безплатформенных систем ориентации и навигации показывает, что платформенные ИНС менее критичны к общим источникам ошибок, так как гироскопы и акселерометры, установленные на платформу, в значительной степени изолированы от действия различных возмущений, их надежность достаточно высока, а достигнутый уровень точности навигации характеризуется погрешностями порядка единиц километров за час полета.

Однако, несмотря на отмеченные выше трудности, БСО и БИНС интенсивно разрабатываются и успешно реализуются на объектах самого различного назначения, конкурируя по ряду показателей с системами платформенного типа.

В качестве измерителей угловых параметров движения в БСО могут быть использованы трехстепенные астатические гироскопы (например, на электростатическом подвесе), одноосные гиростабилизаторы, датчики угловых скоростей (в том числе лазарные ), угловые и линейные акселерометры, приборы, выполненные на основе виброционных гироскопов, и некоторые другие.

Вырабатываемые этими приборами сигналы поступают на вход вычислительного устройства (ВУ), где они соответствующим образом преобразуются и интегрируются.

Бесплатформенные системы ориентации, основанные на применении датчиковугловых скоростей.

Обычно в составе БСО используется блок чувствительных элементов, состоящих из трех ДУС, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны. Так же разрабатываются системы с избыточным количеством измерителей (четыре, шесть и более ), что позволяет увеличить точность и надежность получения информации о параметрах движения объекта.

Принципиальная схема БСО с тремя гироскопическими ДУС приведена на рисунке. В блоке чувствительных элементов смонтированы ДУС, оси чувствительности которых ориентированы вдоль осей прямоугольной системы координат . Реагируя на угловые скорости вращения основания , представляющие собой проекции вектора абсолютной угловой скорости вращения ЛА на оси , эти приборы вырабатывают соответствующие сигналы, являющиеся первичными для решения задачи ориентации в БСО.

Аналогично строится БСО при использовании в качестве ДУС трех лазерных гироскопов (ЛГ), каждый из которых имеет ось чувствительности, ор