CC BY
108
ANALYSIS OF THE TECHNICAL CHARACTERISTICS OF SENSITIVE ELEMENTS OF INDICATOR GYROSCOPIC STABILIZERS
M.N. Korolev, D.M. Malyutin
The main characteristics of the sensitive elements classified according to various physical principles, both domestic and foreign manufacturers, are considered. The main areas of their application, development prospects, as well as the main advantages and disadvantages of the sensitive elements are Noted. The characteristics of the angular velocity sensors, which allow a reasonable choice of the sensor, depending on the problem.
Key words: angular velocity sensor sensing element, micro-mechanical gyroscope, laser gyroscope, fiber-optic gyroscope, wave solid-state gyroscope.
Korolev Mikhail Nikolaevich, postgraduate, mkorolyew @yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malyutin Dmitriy Mikhailovich, candidate of technical sciences, professor, Mal-yutindm@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 531.383-11; 681.7
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА
Е.В. Бородина, А.Ф. Габбасов, А.Н. Парфенов, М.Р. Фомин
Представлен обзор разработок в области волоконно-оптической гироскопии. Рассмотрены результаты испытаний макета датчика угловой скорости, созданного на базе волоконно-оптического гироскопа.
Ключевые слова: волоконно-оптический гироскоп, датчик угловой скорости, бесплатформенная инерциальная навигационная система.
Введение. Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), как и лазерный, относится к типу волновых оптических гироскопов, реализующих эффект Саньяка. В настоящее время ВОГ с замкнутым контуром обратной связи широко используется для построения прецизионных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС), где они выполняют функции датчиков угловой скорости (ДУС). Исходя из требований к БИНС, предназначенным для использования в составе перспективных образцов вооружения и военной техники, ДУС должны обладать высокой точностью, широким диапазоном измеряемых угловых скоростей, устойчивостью к большим перегрузкам и возмущающим воздействиям (механическим, температурным, ионизирующему излучению, магнитному полю и др.), малой массой и габаритами.
Краткий обзор состояния дел в области волоконно-оптической гироскопии. Анализ технических характеристик современных ВОГ, выполненный в РФЯЦ-ВНИИЭФ, показал, что за рубежом уже в течение нескольких лет серийно производятся системы ориентации и навигации различного назначения, использующие высокоточные ВОГ. Наиболее известными зарубежными производителями ВОГ и БИНС на их основе являются:
- Northrop Grumman (США, бывшая Litton) [1,2];
- группа компаний iXBlue (Франция) [3,4];
- KVH (США) [5];
- iMAR (Германия) [6].
В России разработкой и производством ВОГ скоростного и тактического классов точности в основном занимается компания «Физоптика» (Москва). Отечественными производителями ВОГ навигационного класса точности являются фирмы «Оптолинк» (Зеленоград) и «ПНППК» (Пермь).
В табл. 1 и 2 приведены основные характеристики зарубежных и отечественных ВОГ и инерциальных систем, построенных на их основе.
Таблица 1
Основные характеристики зарубежных ВОГ_
Параметр IXBlue (IXSea) Northrop Grumman KVH iMAR
Astrix 1000 LN-200S DSP-1750 DSP-4000 iNAT-FSLG
Вид инерциального прибора* ИИМ ИИМ ВОГ ВОГ БИНС
Динамический диапазон, °/с ±20 ±1000 ±490 ±375 ±б00
Нестабильность МК**, ррт (1с) 40 100 300 500 100
Нестабильность дрейфа нуля, °/ч 0,003 0,1 3,000 б,000 0,100
Случайный дрейф, °/^ч 0,002 0,007 0,013 0,0б7 0,010
Температурный диапазон, °С -25 - б0 -54 - 71 -40 - 75 -40 - 70 -40 - б5
Случайная вибрация (СКЗ)*** в диапазоне 20 -2000 Гц, % 20 15 8 8 б
Механический удар, % 2000 1500 25 40 б
Средняя наработка на отказ, ч 15 лет**** 20 000 3б 000 55 000 35 000
* Вид инерциального прибора, в состав которого входит ВОГ. Здесь ИИМ - инерци-альный измерительный модуль. ** МК - масштабный коэффициент. *** СКЗ - среднеквадратичное значение.
**** Срок службы на геостационарной орбите (радиационная стойкость до 100 крад).
Анализ технических характеристик современных ВОГ показал следующее:
- в РФ существует отставание от зарубежного уровня в области ВОГ навигационного класса точности;
- величина нестабильности МК ВОГ в настоящее время не превышает ~ 10-4, что, примерно, на два порядка хуже, чем у лазерных гироскопов;
- приведенные характеристики ВОГ свидетельствуют о возможности эксплуатации приборов в достаточно сложных условиях, в том числе при эксплуатации на космических аппаратах. Однако на данный момент в РФ не существует ВОГ, удовлетворяющих требованиям стойкости к экстремальным факторам;
- в РФ практически отсутствуют компоненты (из состава функциональных узлов ВОГ), обладающие стойкостью к экстремальным факторам: излучатели и приемники лазерного излучения с длиной волны 1,55 мкм; оптоволокно, сохраняющее поляризацию, ряд аналоговых микросхем (операционные усилители, ЦАП, термодатчик и др.).
Таблица 2
Основные характеристики отечественных ВОГ_
Параметр «Физоптика» «Оптолинк» ПИ ППК
ВГ091-3Д ВГ991Д ВОБИС ТИУС-500 ДУС-500 ВОГ- 06/120
Динамический диапазон, °/с ±300 ±130 ±30 ±300 ±500 ±500
Нестабильность МК, ррт 1000 1000 500 1000 1000 100
Нестабильность дрейфа нуля, °/ч 4,000 2,000 0,300 1,000 0,150 0,200
Случайный дрейф, °/^ч 0,040 0,030 0,001 0,010 0,003 -
Температурный диапазон, °С -40 - 70 -30 - 40 -40 - 60 -60 - 60 -40 - 60
Случайная вибрация (СКЗ) в диапазоне 20 -2000 Гц, % 6 12 - 2 - 8
Механический удар, % 350 150 - 120 - -
Средняя наработка на отказ, ч 20 000 60 000 15 лет* 20 000 -
* Срок службы на геостационарной орбите (радиационная стойкость до 500 крад).
Таким образом, одной из основных научно-технических проблем, которые необходимо решить для использования ВОГ в составе БИНС перспективных образцов вооружения и военной техники, является обеспечение требуемых величин точностных параметров ВОГ (прежде всего, погрешности МК) в рабочем диапазоне угловых скоростей и температур, а также в условиях воздействия внешних факторов.
Результаты исследований макета ДУС на базе ВОГ. С целью исследования возможности решения указанной выше проблемы в РФЯЦ-ВНИИЭФ разработан и изготовлен макет ДУС на базе ВОГ (ДУС-ВОГ), предназначенный для экспериментальных исследований характеристик современного отечественного ВОГ и определения возможных путей улучшения показателей стойкости ВОГ к внешним воздействующим факторам. В состав ДУС-ВОГ входят:
- гироскоп волоконно-оптический ВОГ-06/120, изготовленный ПАО «ПНППК» (Пермь). Прибор выполнен на импортной элементной базе широкого применения с частичным применением отечественных пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов, кварцевых генераторов);
- макет блока питания (БП), разработанный и изготовленный РФЯЦ-ВНИИЭФ. Макет полностью выполнен на отечественной элементной базе.
Целью экспериментальных исследований ДУС-ВОГ являлось определение диапазона измеряемой угловой скорости, погрешности МК в диапазоне угловых скоростей, постоянной составляющей смещения нуля, нестабильности смещения нуля от запуска к запуску, нестабильности смещения нуля в запуске, дрейфа смещения нуля, величины зоны нечувствительности ДУС-ВОГ. Также оценивалось влияние температурного и магнитного воздействий на выходной сигнал ДУС-ВОГ, стойкость макета к воздействию линейного ускорения, случайную вибрацию, механические удары одиночного действия.
В качестве испытательного оборудования, с помощью которого проводились исследования, использовали одноосный (с термокамерой) и трехосный динамические стенды, прецизионный центробежный стенд, вибростенд и имитатор знакопеременных магнитных полей. Результаты определения точностных характеристик ДУС-ВОГ в диапазоне температур от -40 до +60 °С представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты исследований макета ДУС-ВОГ в диапазоне температур
от -40 до +60 °С
Характеристика ВОГ Задаваемая температу ра, °С
(24 ± 2) -40 60
Диапазон измеряемой угловой скорости, °/с (-1000; 1000) - -
Нестабильность МК, отн.ед. -4 0,431-10 - -
Нелинейность МК, отн.ед. -4 0,746-10 - -
Постоянная составляющая смещения нуля, °/ч 0,022 0,0639 0,0151
Нестабильность смещения нуля от запуска к запуску, °/ч 0,004 0,0053 0,0084
Нестабильность смещения нуля в запуске, °/ч 0,015 0,0515 0,0240
Величина зоны нечувствительности, °/ч ± 0,063 - -
В качестве иллюстрации на рис. 1 представлен типичный график изменения угловой скорости, измеренной ДУС-ВОГ (при вращении планшайбы с постоянной скоростью 0,005 °/с), при выставке оси чувствительности ВОГ на Восток.
о.1
jj.ii
1ШНДОВЦЯ, с
Рис. 1. График изменения угловой скорости от времени измерения
Из табл. 3 следует, что ДУС-ВОГ обеспечивает высокие точностные характеристики (навигационного класса точности) в диапазоне температур от -40 до +60 °С.
Исследования ДУС-ВОГ при воздействии механических внешних факторов проведены для уровней, в целом соответствующих значениям, заявленным производителем ВОГ-06/120. Получены следующие результаты:
- при воздействии линейных ускорений до 50 g максимальная величина нестабильности смещения нуля в запуске не превысила ~0,020 °/ч;
- при воздействии случайной вибрации с СКЗ ускорения 6 g максимальное значение нулевого сигнала ДУС-ВОГ составило ~0,03 °/ч;
- при воздействии механического удара одиночного действия с пиковым ударным ускорением до 50 g максимальное значение нулевого сигнала ДУС-ВОГ составило ~0,16 °/ч.
Исследования ДУС-ВОГ при воздействии постоянного магнитного поля напряженностью до 100 Э проведены для двух положений оси чувствительности ВОГ относительно вектора напряженности магнитного поля, задаваемого с помощью имитатора магнитных полей:
- при «вертикальном» положении - ось чувствительности ВОГ направлена вертикально вверх и перпендикулярна плоскости, в которой расположен вектор напряженности магнитного поля;
- при «горизонтальном» положении - ось чувствительности ВОГ находится в плоскости, в которой расположен вектор напряженности магнитного поля, но отклонена от него на углы 0°, 90°, 180°, 270°.
В качестве иллюстрации на рис. 2 и 3 показаны типичные графики изменения проекции частоты вращения Земли, измеренной ДУС-ВОГ до, во время и после воздействия постоянного магнитного поля при «вертикальном» и «горизонтальном 270°» положениях оси чувствительности ВОГ.
Бремя, с
Рис. 2. Изменения проекции угловой скорости, измеренной ДУС-ВОГ при «вертикальном» положении оси чувствительности
Время, с
Рис. 3. Изменения проекции угловой скорости, измеренной ДУС-ВОГ при «горизонтальном 270°» положении оси чувствительности
По результатам проведенных исследований установлено, что на точностные характеристики ДУС-ВОГ заметное влияние оказывает постоянное магнитное поле со следующими параметрами:
- при «вертикальном» положении - Н> 75 Э;
- при «горизонтальном» положении - Н > 50 Э.
Максимальное значение дрейфа нуля ДУС-ВОГ при воздействии магнитного поля напряженностью 100 Э составило -1,43 °/ч (для «горизонтального 270°» положения оси чувствительности ВОГ).
Заключение. Результаты проведенных исследований показывают, что ВОГ можно использовать в составе БИНС объектов наземного, морского и авиационного применения, к которым не предъявляются высокие требования стойкости к внешним воздействующим факторам.
Список литературы
1. Официальный сайт Northrop Grumman URL [Электронный ресурс] http://www.northropgrumman.com (дата обращения: 10.06.2019).
2. Strus J.M., Kirkpatrick M., Sinko J. GPS/IMU development of a high accuracy pointing system for maneuvering platforms // Inside GNSS. 2008. №3. P. 30 - 37.
3. Лефевр Э.К. Волоконно-оптический гироскоп: достижения и перспективы // Гироскопия и навигация. 2012. №4 (79). С.3-9.
4. Офииальный сайт компании iXblue URL [Электронный ресурс] http://www.ixblue.com (дата обращения: 10.06.2019).
5. Официальный сайт компании KVH Industries, Inc. URL [Электронный ресурс] http://www.kvh.com (дата обращения: 10.06.2019).
6. Официальный сайт компании iMAR [Электронный ресурс] http://www.imar-navigation.de (дата обращения: 10.06.2019).
Бородина Екатерина Владимировна, инженер-исследователь, [email protected], Россия, Саров, ФГУП «РФЯЦ- ВНИИЭФ»,
Габбасов Айрат Фандусович, инженер-исследователь, [email protected], Россия, Саров, ФГУП «РФЯЦ - ВНИИЭФ»,
Парфенов Александр Николаевич, начальник научно-исследовательской группы, [email protected], Россия, Саров, ФГУП «РФЯЦ - ВНИИЭФ»,
Фомин Михаил Робертович, начальник научно-исследовательского отдела, [email protected], Россия, Саров, ФГУП «РФЯЦ - ВНИИЭФ».
RESEARCH RESULTS OF THE FIBER-OPTIC GYRO E. V. Borodina, A.F. Gabbasov, A.N. Parfenov, M.R. Fomin
The article presents an overview of the development in the field of fiber-optic gyroscopic technologies. Test results of a prototype angular velocity sensor based on the fiberoptic gyro are considered.
Key words: fiber-optic gyro, angular velocity sensor, strapdown inertial navigation
system.
Borodina Ekaterina Vladimirovna, research engineer, [email protected], Russia, Sarov, Russian Federal Nuclear Center,
Gabbasov Ayrat Fandusovich, research engineer, [email protected], Russia, Sarov, Russian Federal Nuclear Center,
Parfenov Alexander Nikolaevich, head of the research group, [email protected], Russia, Sarov, Russian Federal Nuclear Center,
Fomin Michail Robertovich, head of the research department, [email protected], Russia, Sarov, Russian Federal Nuclear Center
