АНАЛИЗ ОТНОСИТЕЛЬНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МАСС АКСЕЛЕРОМЕТРОВ В АЛГОРИТМАХ БЕСПЛАТФОРМЕННЫХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

А.Е. Морозов; Н.Д. Богданов

А.Е. Морозов Публичное акционерное общество «Пермская научно- производственная приборостроительная компания»
Н.Д. Богданов Публичное акционерное общество «Пермская научно- производственная приборостроительная компания»

Ключевые слова: Алгоритм компенсации, эффект разнесения чувствительных элементов, инерциальная навигация, методические погрешности БИНС, акселерометр, тангенциальное и цен- тростремительное ускорения

Аннотация

Представлен способ алгоритмической компенсации смещения центров чувствитель-
ных элементов акселерометров в составе высокоточной инерциальной навигационной сис-
темы. Ранее рассматриваемую компенсацию допускалось не применять, ввиду возможно-
сти минимизации ее влияния за счет конструктивных особенностей – максимально близко-
го расположения акселерометров друг к другу. С модернизацией комплектующих инерци-
альных датчиков влияние погрешности типа «size-effect» могло стать существенным по
сравнению с погрешностями гироскопов и акселерометров. Целью данной работы являет-
ся анализ влияния этой погрешности на решение навигационной задачи в условиях точно-
стей современных инерциальных датчиков. В работе подробно изложена схема компенса-
ции: отдельно рассматривается компенсация к произвольному центру инерциального из-
мерительного блока, учитывающая эффект разнесения триады акселерометров, и к цен-
тру вращения транспортного средства, учитывающая место установки на объект экс-
плуатации. Дополнительно проанализированы конструкции расположения акселерометров
на платформах блока датчиков высокоточной и малогабаритной инерциальных навигаци-
онных систем. С помощью серии вращений на наклонно поворотном столе проведен рас-
чет разнесения акселерометров по методу наименьших квадратов относительно точки
пересечения осей вращения используемого стенда. Получена оценка невязки вычисленных
коэффициентов разнесения чувствительных элементов от их номинальных значений.
На примере калибровочных вращений достигнуто уменьшение всех паразитных явлений в
сигнале акселерометров, проявляемых в результате центростремительного и тангенци-
ального ускорений. Аналитически выведено влияние паразитного сигнала акселерометров
при курсовой качке изделия на исчисление координат и раскрыта зависимость исследуемой
погрешности от времени работы изделия в условиях постоянной качки. С целью верифика-
ции проведены реальные испытаниях на наклонно-поворотном столе и изложены получен-
ные результаты эффективности компенсации. Приведены результаты компенсации при
летных испытаниях на двуместном вертолете вертикального взлета и посадки. Расчет
летных испытаний производился путем натурного моделирования по записанными данным
с учетом синхронизации используемых датчиков. Отдельно рассматривается компенсация
в режиме сведения триады акселерометров к произвольной точке и в режиме сведения
акселерометров к центру вращения транспортного средства

Литература

1. Matveev V.V., Raspopov V.Ya. Osnovy postroeniya BINS [Basics of building SINS]. GNTS
RF «Kontsern TSNII Elektropribor», 2009, 280 p.
2. Belousov M.A., Zobachev D.Yu. Verifikatsiya modeli volokonno-opticheskogo giroskopa s
razlichnoy glubinoy modulyatsii [Verification of a fiber-optic gyroscope model with different
modulation depths], Navigatsiya, navedenie i upravlenie letatel'nymi apparatami: Tezisy dokladov
[Navigation, guidance and control of aircraft: Abstracts of reports]. Moscow, 2019, pp. 94-96.
3. Trukhova N.A., Belousov M.A., Remennikova M.V. Issledovanie vliyaniya vykhodnykh
kharakteristik superlyuministsentnogo volokonnogo istochnika na tochnostnye parametry
volokonno-opticheskogo giroskopa [Study of the influence of the output characteristics of a
superluminescent fiber source on the accuracy parameters of a fiber-optic gyroscope], XXVIII
Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya «Sovremennye tekhnologii v
zadachakh upravleniya, avtomatiki i obrabotki informatsii»: Cb. trudov [XXVIII International
scientific and technical conference «Modern technologies in control, automation and information
processing tasks»: Collection of works]. Tambov, 2019, pp. 70.
4. Tarasenko A.B. Sozdanie i issledovanie vysokotochnoy navigatsionnoy sistemy na osnove
lazernykh giroskopov s vibropodstavkoy: diss. … kand. tekhn. nauk [Creation and research of
a high-precision navigation system based on laser gyroscopes with a vibration support: cand.
of eng. sc. diss. Moscow, 2021, 94 p.
5. Belousov M.A., Krivosheev A.I. Compensation of Excess Intensity Noise of a Light Source in a
Fiber-Optic Gyroscope, 30th Saint Petersburg ICINS. Saint Petersburg, May 2023, pp. 245-246.
6. Minkin A.M. Tekhnologiya izgotovleniya chuvstvitel'nogo elementa kvartsevogo
akselerometra metodom ob"emnoy mikroobrabotki [Technology for manufacturing the sensitive
element of a quartz accelerometer using volumetric micromachining], Prikladnaya
fotonika [Applied Photonics], 2019, Vol. 6, No. 3-4, pp. 147-159.
7. Jiang Q., Tang J. and Han S. Analysis and compensation for size effect error of laser gyro
Strapdown Inertial Navigation System, Infrared and Laser Engineering, 2015, 44 (4),
pp. 1110-1114.
8. Morozov A.E., Belousov M.A., Zobachev D.Yu. Methodology for determining the delays in
sensor measurements in navigation systems, 30th Saint Petersburg International Conference
on Integrated Navigation Systems. Saint Petersburg, 2023, pp. 280-281.
9. Slobodan J. Size effect of the inertial measurement unit and inside IMU accelerometers on
aircraft position error, Vojnitehnicki glasnik. Beograd, 2003, pp. 171-181.
10. Ren L., Du J. and Wang M. Error analysis and compensation of size effect in INS with IMU
rotation, Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34 (6), pp. 1424-1435.
11. Xie B., Qin Y., Wan Y. and Shi. W. Analysis and compensation for size effect of strapdown
inertial navigation system, Journal of Chinese Inertial Technology, 2012, 20 (4), pp. 414-420.
12. Dranitsyna E.V. Kalibrovka izmeritel'nogo modulya pretsizionnoy BINS na volokonnoopticheskikh
giroskopakh: diss. … kand. tekhn. nauk [Calibration of the precision SINS measuring
module on fiber-optic gyroscopes: cand. of eng. sc. diss.]. Saint Petersburg., 2016, 89 p.
13. Hung J.C., Hunter J.S., Stripling W.W., White H.V. Size-effect on navigation using a
strapdown IMU, Guidance and Control Directorate Technology Laboratory. Redstone Arsenal,
Alabama, 1979, pp. 29.
14. You J., Qin Y., Yang P. and Yan G. Modeling and calibration of the accelerometer size effect
error of the SINS, Journal of Astronautics, 2012, 33 (3), pp. 311-317.
15. Kozlov A.V., Shaymardanov I.Kh. Kalibrovka vnutrennego razneseniya chuvstvitel'nykh mass
akselerometrov BINS-RT [Calibration of internal separation of sensitive masses of BINS-RT
accelerometers], XXXI konferentsiya pamyati vydayushchegosya konstruktora
giroskopicheskikh priborov N.N. Ostryakova [XXXI conference in memory of the outstanding
designer of gyroscopic devices N.N. Ostryakova]. Saint Petersburg, 2018, pp. 25-34.
16. Zhou G., Xu W. and Ye P. Lever-Arm Calibration Method of Fiber Strapdown Inertial Navigation
System Accelerometer, Piezoelectrics & Acoustooptics, 2015, 37 (6), pp. 945-949.
17. Gao Р., Li К., Wang L., Liu Z. A self-calibration method for tri–axis rotational inertial navigation
system, IEEE Transactions on Industrial Electronics. United States, 2018, Vol. 65, Issue 2,
pp. 1655-1664.
18. Vyaz'min V.S., Golovan A.A., Govorov A.D. Nachal'naya i konechnaya vystavki
beskardannogo aerogravimetra s opredeleniem smeshcheniy nulevykh signalov
akselerometrov [Initial and final alignments of a gimballess aerogravimeter with determination
of the offsets of accelerometer zero signals], Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and navigation],
2023, Vol. 31, No. 1 (120), pp. 76-88.
19. Chang Z., Zhang Z., Zhou Z., Xu Z., Guo Q. Initial Alignment for Rotating SINS Based on
Online Compensation of Size Effect, Acta Armamentarii, 2020, 41 (10), pp. 2016-2022.
20. Sharon E. A Least Squares Approach to Size Effect in Inertial Navigation, IEEE Proceedings
of Position Location and Navigation Symposium. Monterey, United States, 2014, pp. 721-732.
21. Poletti L., Sendra D. Sanchis, Siryani R. A direct approach for high-quality MEMS based
IMU/INS production, Inertial Sensors and Systems, 2020, 19 p.
22. Salychev O.S., Verified approaches to inertial navigation,. – Moscow: The Bauman Moscow
State Technical University, Russia, 2017, 368 p.
23. Tarasenko A.B., Fomichev A.A., Larionov P.V., Kolchev A.B., Filatov P.A., Milikov E.A.
Razrabotka, nastroyka i ispytaniya novoy malogabaritnoy inertsial'no-sputnikovoy
navigatsionnoy sistemy [Development, configuration and testing of a new small-sized inertial
satellite navigation system], Sb. trudov XXVIII Sankt-peterburgskoy mezhdunarodnoy
konferentsii po integrirovannym navigatsionnym sistemam [collection of works XXVIII Saint
Petersburg ICINS]. Saint Petersburg, 2023, pp. 151-157.