Гетеромагнитная микроэлектроника (стр. 6 )

Из табл. 1 видно, что блок БИБ-4 и модуль ВД30 построены по схеме комплексирования с использованием структурно избыточного числа (n > 3) векторных датчиков (акселерометров и гироскопов), что обеспечивает им ограниченную отказоустойчивость.

Отказоустойчивость модуля типа ВД30 существенно зависит от схемы ориентации осей чувствительностей. Возможны различные варианты построения неортогональных схем ориентации осей чувствительностей датчиков модуля. В соответствии с правилами комбинаторики число N блоков-триад, которые можно построить на основе n неортогональных датчиков, определяется числом сочетаний .

В условиях, когда допустимо применение источников внешней коррекции, решение проблемы возможно за счет комбинирования СИ с использованием принципа функциональной избыточности информации.

В НПЦ АП разработан ряд бесплатформенных измерительных навигационных блоков с использованием принципа функциональной избыточности. В частности, разработаны и внедрены в производство блоки, использующие:

твердотельные акселерометры (ТТА), волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) и аппаратуру спутниковой навигации (АСН); ТТА, ВОГ, АСН и приборы астрокоррекции; ТТА, лазерные ДУС и АСН

и ряд других [2].

Приведем обоснование принципиальной возможности, практической целесообразности и эффективности реализации принципа функциональной избыточности информации применительно к автономным СОН объектов РКТ на основе включения в систему сравнительно простого магнитоинерциального модуля (МИМ) с целью повышения показателей точности и надежности всей системы, а также придания ей новых свойств адаптации к отказам, отказоустойчивости и встроенного контроля работоспособности всей системы.

Комбинирование системы автономной ориентации

и навигации объектов РКТ с МИМ

Решение поставленной задачи по разработке отказоустойчивой комбинированной системы ориентации и навигации (КСОН) может быть достигнуто путем включения МИМ в состав существующей СОН (ПСОН, БСОН, АСОН или ГСОН), использования принципа комбинирования СИ (СОН+МИМ) и реализации с помощью микроконтроллера (МК) программно-алгоритмического обеспечения (ПАО) обработки многомерной информации.

МИМ представляет собой малогабаритную (или миниатюрную) измерительно-вычислительную систему, построенную на основе включения в состав СОН дополнительного блока – трехосного блока магнитометров (ТБМ). За счет этого приобретается свойство трехвекторного измерителя, способного измерять компоненты трех векторов (напряженности магнитного поля Тm, кажущегося ускорения nm и абсолютной угловой скорости вращения щm) в проекциях на оси связанного трехгранника (m = XYZ):

(1)

где Tx, Ty, Tz, nx, ny, nz, щx, щy, щz – компоненты векторов Тm, nm, щm.

Конструктивно МИМ выполнен в виде малогабаритного моноблока с фланцевым креплением к корпусу приборного отсека объекта РКТ.

Схема взаимодействия МИМ со штатной СОН сводится к получению многомерной информации и переработке ее в микроконтроллере (МК) в соответствии с заданным ПАО, обеспечивающим выполнение следующих функций:

самодиагностика с помощью МИМ и алгоритмов встроенного контроля; коррекция (приведение к эквивалентному основанию показаний штатной СОН); повышение достоверности решения задач автономной ориентации и навигации; обеспечение резервно-аварийных режимов работы штатной СОН путем идентификации отказов, адаптации системы к отказам и обеспечения за счет этого ее отказоустойчивости.

Сменное ПАО обеспечивает многофункциональность и многорежимность работы комбинированной СОН.

По аналогии с прямой и обратной задачами баллистики в настоящей работе поставлены и корректно решены две задачи бортовых измерений (прямая и обратная [3, 4]). Для решения прямой и обратной задач бортовых измерений введены соответствующие отсчетные системы координат – базисы и трехгранники (табл. 2).

Таблица 2

Системы координат

Система координат	Обозначение	Трехгранник	Ориентация в пространстве
оси	базиса
Инерциальная	XиYиZи	i	Декарта	Оси Yи, Zи лежат в плоскости эклиптики, ось Yи направлена в точку весеннего равноденствия

Окончание табл. 2
Система координат	Обозначение	Трехгранник	Ориентация в пространстве
оси	базиса
Геоцентрическая	XгYгZг	g	Декарта	Оси Yг, Zг лежат в плоскости экватора, ось Xг направлена по оси собственного вращения Земли, ось Yг находится в плоскости меридиана Гринвича
Географическая	NHE	q	Дарбум	Ось N касательна к меридиану и направлена на север, ось H – вертикаль места, ось E направлена на восток
Стартовая (ортодромическая)	XоYоZо	s	Дарбум	Ось Xо – касательная к ортодромии – трассе траектории объекта, ось Yо – вертикаль места в точке старта S
Пусковая	XпYпZп	p	Дарбум	Оси Xп, Yп лежат в плоскости стрельбы (орбиты), ось Xп направлена на цель горизонтально, ось Yп – вертикаль места в точке пуска P
Траекторная (естественная)	фnb	t	Френем	Ось ф касательна к траектории, ось n – нормаль к траектории
Связанная	XYZ	m	Резаля	Оси: X – продольная, Y – нормальная, Z – поперечная

Показания трехвекторного модуля могут быть описаны с помощью уравнений и метрологических характеристик [5]:

(2)

(3)

где , , gq, Щ0q – векторы напряженности магнитного поля Земли (МПЗ), магнитного поля помех (МПП), поля тяжести Земли (ПТЗ) и угловой скорости вращения Земли, заданные в географическом трехграннике q = NHE; TМПО, аm, – векторы напряженности магнитного поля объекта (МПО), абсолютного линейного ускорения основания и угловой скорости дрейфа гироскопов, заданные в связанном трехграннике m = XYZ; (,,)q – векторы угловых скоростей вращения ПО по рысканию, тангажу и крену относительно Земли, заданные в неподвижном трехграннике q = NHE; Bм, Bа, Bг – матрицы (3×3) сборки ТБМ, трехосных блоков акселерометров (ТБА) и гироскопов (ТБГ); M – матрица монтажа МИМ на объекте; A – матрица ориентации ПО; S – матрица коэффициентов Пуассона; E – единичная матрица (3×3); diag(…) – обозначение диагональных матриц (3×3) масштабных коэффициентов блоков; гx, гy, гz,; kx, ky, kz, nx, ny, nz – масштабные коэффициенты соответствующих датчиков (магнитометров, акселерометров и гироскопов); Дuм, Дuа, Дuг – векторы смещений нулевых сигналов блоков (ТБМ, ТБА, ТБГ).

С целью решения задач автономной ориентации и навигации БР и КА для обеспечения возможности корректного использования девятимерных показаний модуля в виде вектора u

(4)

предварительно паспортизируют все блоки МИМ, т. е. определяют коэффициенты векторов и матриц: TМПО, Дgq, ; S, Bм, Bа, Bг, M; г; k; n; Дuм; Дuа; Дuг, входящих в систему уравнений (2) и (3).

Компоненты векторов напряженности магнитного поля (МПЗ) и поля тяжести Земли (ПТЗ) gq в географическом трехграннике q = NHE определяют в соответствии с моделями нормальных геофизических полей (IGRF, WMM-2015; WGS-84 и др.) [6], а вектор угловой скорости вращения Земли Щ0 в географическом базисе q для каждой широты ц вычисляют по формуле

,

(5)

где Щ0 = 7,2921158553·10-5 с–1 – угловая скорость вращения Земли в инерциальной системе отсчета; ц – широта места положения наблюдателя.

С учетом вышепроведенной параметрической паспортизации блоков МИМ путем обращения уравнений (2) и (3) получают выражения для показаний блоков, приведенных к немагнитному ортонормированному основанию:

(6)

(7)

На основе использования приведенных показаний блоков МИМ (,,) могут быть решены обратные задачи бортовых измерений.