Модель источников шумов и нестабильностей кольцевого моноблочного гироскопа

Авторы

Ус Н. А.^*, Задорожний С. П.^**

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», Воронеж, Россия

*e-mail: us_n@mail.ru
**e-mail: sergejzadorozhnij@yandex.ru

Аннотация

В качестве гироскопических датчиков современных высокоточных бесплатформенных инерциальных навигационных систем воздушных судов используются различные системы, работающие на различных физических принципах. Наибольшее распространение в мире получили лазерные гироскопы, реализующие эффект Саньяка, и отличающиеся конструктивно-технологическим исполнением. В промышленно выпускаемых инерциальных навигационных системах используют два типа таких гироскопов: кольцевой газовый и волоконно-оптический. Относительно недавно в группе лазерных гироскопов появилась новая разработка, занимающая промежуточное место между кольцевыми газовыми и волоконно-оптическими гироскопами. Это устройство получило название «кольцевой моноблочный гироскоп с полупроводниковым лазерным диодом». Принципиальным отличием устройства является наличие многогранного оптического моноблока с расположенной внутри треугольной оптической схемой с открытыми каналами. Задача формирования двунаправленного оптического сигнала от лазерного диода решается с помощью оригинальной конструкции резонатора-расщепителя. При этом полупроводниковый лазерный диод находится внутри оптической схемы гироскопа. Кольцевой режим оптического сигнала реализуется зеркальной системой. Съем информации об угловой скорости объекта навигации осуществляется обработкой динамической интерференционной картины с выхода гироскопа. Новое конструктивно-технологические решение гироскопического датчика требует знание его погрешностей на основе соответствующей обобщенной математической модели источников шумов и погрешности. В работе анализируется треугольная моноблочная оптическая схема лазерного гироскопа с повышенной симметрией относительно оси «резонатор-расщепитель – интерференционный смеситель – фотоприемник» с целью оценки ее потенциальных шумов и нестабильностей. Данная оптическая схема ранее не анализировалась из-за не востребованности в кольцевых газовых лазерных гироскопах. Получены оценки потенциальных возможностей данного конструктивно-технологического решения гироскопа в качестве чувствительного элемента инерциальной навигационной системы воздушного судна. Показано, что оптическая схема обладает наличием автоматической внутренней взаимной фазовой модуляции и имеет место компенсация внутренних температурных градиентов объекта исследования. Разработанная конструкция кольцевого моноблочного гироскопа рекомендуется в качестве высокоточного, термостабильного кольцевого моноблочного гироскопа с полупроводниковым лазерным диодом для бесплатформенных инерциальных навигационных систем воздушных судов. Особенности конструктивно-технологического решения датчика могут являться основой при решении задачи резервирования чувствительных элементов инерциальной навигационной системы.

Ключевые слова

лазерный гироскоп, эффект Саньяка, кольцевой моноблочный оптический контур, шумы, нестабильность, взаимная фазовая модуляция

Библиографический список

1. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. – М.: Наука, 1966. – 580 с.

2. Несенюк Л.П. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы. Обзор состояния и перспективы развития // Гироскопия и навигация. 2002. № 1 (36). С. 13 – 22.

3. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. – СПб: Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011. – 280 с.

4. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. – М.: Машинострение, 1991. – 512 с.

5. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации на МЭМС-датчиках. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. – 225 с.

6. Филатов Ю.В. Оптические гироскопы. – СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2005. – 139 с.

7. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. – Киев: Выща школа, 1988. – 388 с.

8. Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп. – М.: Радио и связь, 1987. – 151 с.

9. Лукьянов Д.П. Лазерные и волоконно-оптические гироскопы: состояние и тенденции развития // Гироскопия и навигация. 1998. № 4 (23). С. 23 – 45.

10. Чернодаров А.В. Контроль, диагностика и идентификация авиационных приборов и измерительно-вычислительных комплексов. – М.: Научтехлитиздат, 2017. – 300 с.

11. Слесаренок С.В., Шепеть И.П., Рубинов В.И., Типов Ю.П. Автокомпенсация погрешностей навигационных датчиков бесплатформенной инерциальной навигационной системы // Труды МАИ. 2016. № 86. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=66381

12. Чернодаров А.В., Иванов С.А. Идентификация моделей и адаптивная фильтрация шумов инерциальных измерителей // Труды МАИ. 2018. № 99. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=91962

13. Ус Н.А. Навигационные системы подвижных объектов МЧС // Международная научно-практическая конференция «Комплексные проблемы техносферной безопасности». Сборник материалов (12 ноября 2015, Воронеж). – Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2015. Ч. 2. С. 46 – 54

14. Ус Н.А., Задорожний С.П. Моноблочный лазерный гироскоп с полупроводниковым излучателем – элемент инерциальной навигационной системы // Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы исследований в авионике: теория, обслуживание, разработки». АВИАТОР. Сборник тезисов докладов (Воронеж, 12-14 февраля 2014). – Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2014. С. 148 – 150.

15. Ус Н.А., Задорожний С.П. Кольцевой моноблочный гироскоп с полупроводниковым лазерным диодом: особенности конструктивно-технологического решения // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2016. Т. 12. № 2. С. 65 – 72.

16. Ус Н.А., Задорожний С.П. Модель треугольной оптической схемы с повышенной симметрией лазерного гироскопа // Вестник Воронежского института ФСИН России. 2018. № 2. С. 15 – 23.

17. Ус Н.А. Лазерный гироскоп. Патент № 2507482. Бюлл. № 5, 20.02.2014.

18. Архипов. В.А., Полутов А.Г., Ус Н.Г., Склярова О.Н., Задорожный С.П., Смирнов П.В. Лазерный гироскоп. Патент № 2582900. Бюлл. № 12, 27.04.2016.

19. Ring laser, in particular for a ring laser type of gyro, having a block with an optical resonator cavity and three corner mirrors. Patent US 4666302 (A). 1987. URL: http://www.rad.pfu.edu.ru/resursy-svobodnogo-dostupa/baza-patentov-ssha-united-states-patent-and-trademark-office

20. Лукьянов Д., Филатов Ю., Голяев Ю., Курятов В., Виноградов В., Шрайбер К.У., Перлмуттер М. 50 лет лазерному гироскопу // Фотоника. 2014. № 2 (44). С. 20 – 36.

Скачать статью