Земли и к ускорению силы тяжести добавляются угловые и линейные параметры движения судна. Вследствие этого оказывается
необходимым из результатов измерений выделять Ω и g . Это сложная
задача, так как Ω значительно меньше угловых скоростей движения судового корпуса при качке и на поворотах, а g возмущается ускорениями в движении судна.
В современных фиброоптических ГК вектора Ω и g находятся
путем фильтрации данных гирометров и акселерометров с использованием информации о том, что вектор силы тяжести в инерциальном пространстве, продолженный до центра Земли, описывает при ее вращении конус (рис. 4.14.).
Фиброоптические ГК относят к системам аналитического типа,
так как курс в них получается в результате сложной математической обработки данных.
4.4.3. Принцип работы фиброгирометров.
Принцип работы ФО-гирометров основан на инвариантности скорости света и релятивистском эффекте, открытым французским физиком Г.Саньяком (George Sagnac) в 1913 г. Положение об инвариантности скорости света состоит в ее независимости от движения замкнутой среды, в которой свет распространяется. Это положение учитывает, что к распространению света неприменим закон классической механики о сложении скоростей.
Для ясного понимания эффекта Г.Саньяка необходимы хорошие знания специальной теории относительности. Поэтому поясним принцип работы ФО-гирометров не строго, а в популярной форме.
Допустим (рис. 4.15,а), что в плоскости инерциального пространства с системой координат Oζξ имеется неподвижный фиброоптический кабель (световод) длиной L, свернутый в виде кольца радиусом R ( L = 2πR ). Примем, что начало и конец кабеля находятся в точке А.
Если в точку А подать свет, то его волна разделится на две. Эти две волны пойдут по оптическому кабелю в противоположных направлениях (будем считать, что первая волна - по часовой стрелке, а вторая - против нее). Обойдя световод, первая и вторая волны встретятся в точке А. Здесь они соединятся и покинут кабель. Время прохождения светом кольцевого пути будет равно
T = L / c ,
где с – скорость света.
Допустим теперь, что кольцо световода вращается вокруг своей оси по часовой стрелке с угловой скоростью ω (рис. 4.15,б). В момент,
145
когда точка А оптического кабеля проходит через ось Oξ, в нее подается свет. Разделившись на две волны, свет пойдет по кабелю относительно инерциального пространства со скоростью с, не зависящей от скорости вращения световода. Точка А во время движения света по кабелю будет уходить от волны, движущейся по часовой стрелке и идти навстречу волне, огибающей световод против часовой стрелке. Вторая волна достигнет точки А и покинет световод раньше первой волны, так как ее путь L2 окажется короче расстояния L1, проходимого первой волной. Измерив с высокой точностью разность времени прихода волн в точку А, можно найти угловую скорость вращения световода.
а) |
ζ |
|
б) |
ζ |
L2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
A |
|
|
A |
|
|
θ |
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
0 |
ξ |
|
0 |
ξ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.15. К пояснению принципа работы ФО-гирометра.
За время обхода кабеля первой и второй волнами света он повернется на угол θ, примерно равный
θ =ωT .
Расстояние до точки А, проходимое первой волной, огибающей световод по часовой стрелке, будет равно L1 = L + Rθ . Длина пути до точки А второй волны, движущейся по кабелю в противоположном направлении, окажется такой: L2 = L − Rθ .
Разность L расстояний, проходимых первой и второй волнами света, составит
L = 2Rθ .
Обозначим длину световой волны λ. Ей соответствует фазовый угол 2π. Тогда величине L при выходе света из кабеля в точке А будет соответствовать фазовый сдвиг Ф между первой и второй волнами, равный
146
Ф = |
2π L |
= |
4πRL |
ω = |
2L2 |
ω . |
|
λ |
cλ |
cλ |
|||||
|
|
|
|
Угол Ф называют фазой Саньяка.
Из формулы следует, что чем больше длина световода, тем с лучшей точностью можно измерить его угловую скорость (значению ω будет соответствовать большее значение Ф). Поэтому длину оптического кабеля берут равной 500 и более метров и наматывают его в виде катушки, диаметром порядка 6÷12 см.
На практике в световоде поддерживаются автоколебания генерируемой электромагнитной энергии в оптическом диапазоне, а определение разности между L1 и L2 выполняется с помощью интерферометров, измеряющих разность фаз между первой и второй световыми волнами.
4.4.4. Характеристики фиброоптических гирокомпасов.
Морские фиброоптические компасы изготавливаются в настоящее время рядом фирм и организаций. В качестве примера таких приборов можно привести гирогоризонткомпас ГГК-1, разработанный Пермской научно-производственной приборостроительной компаний (Россия),
курсоуказатель «NAVIGAT 2100» (SR 2100) фирмы C.Plath и датчик курса «LFK 95» фирмы LITEF. Характеристики этих приборов практически одинаковы, поэтому рассмотрим их на примере курсоуказателя «NAVIGAT 2100».
Модуль управления и отображения
Блок питания и интерфейса
Основной прибор
Рис. 4.16. Базовая конфигурация ФО-гирокомпаса «NAVIGAT 2100».
Компас «NAVIGAT 2100» изготовлен по strapdown-технологии и не имеет движущихся частей. Он включает в себя основной прибор, блок питания и интерфейса, модуль управления и отображения (рис. 4.16).
147
В основном приборе находятся: три фиброоптические гирометра, два электронных датчика для определения направления вертикали, процессор. Длина световода в гирометре равна 500 м. В процессоре при обработке данных гирометров и датчиков горизонта используется фильтр Калмана. Размеры основного прибора составляют 29х34х17 см3. Вес прибора равен 11.5 кг.
Блок питания и интерфейса вырабатывает необходимые питающие напряжения. Он обеспечивает передачу показаний прибора на авторулевой и другим потребителям, а также ввод данных от другого гирокомпаса, от приемоиндикатора GPS, электронного магнитного компаса, лага, датчика положения руля. Блок питания и интерфейса имеет размеры 52х34х12 см3 и вес 15 кг.
Блок управления и отображения служит для управления работой прибора и представления его информации. Размеры этого прибора: 29х10х5,5 см3. Вес – 0,7 кг.
При всех условиях работы (в широтах до ±750 и скоростях хода до 75 узлов) ФО-гирокомпас «NAVIGAT 2100» обеспечивает точность:
–Курса ……………………………………………………………...≤0.70secφ;
–Углов бортовой и килевой качки ………………………………. ≤0.50;
–Скорости поворота судна…………………………………………≤0.40/мин;
–Угловых скоростей бортовой и килевой качки………………….≤0.40/мин.
После включения время прихода ГК в готовность составляет: у
причала - 30 мин, на ходу – 45 мин. Требуемая точность измерения скорости поворота судна достигается через 4 минуты после включения компаса.
Отметим также следующие достоинства рассматриваемого прибора. ФО-гирокомпас «NAVIGAT 2100» не имеет движущихся частей, обладает высокой надежностью, потребляет мало энергии, не требует обслуживания, отвечает рекомендациям ИМО к высокоскоростным судам. Он является датчиком курса, скорости поворота, углов и скоростей килевой и бортовой качки и относится к бесплатформенным системам ориентации (БСО). Этот компас имеет цифровые и аналоговые выходы и встроенную систему контроля своей работы.
Основные преимущества электронных компасов. В заключение выделим следующие основные достоинства электронных компасов различных видов, изготовленных по strapdown-технологии:
–Отсутствие движущихся частей;
–Высокая надежность;
–Низкое энергопотребление;
–Легкость обеспечения независимыми резервными источниками питания;
–Стандартизованный цифровой выход;
–Компактность, малый вес, низкая стоимость;
–Быстрый приход в готовность после включения и высокая устойчивость;
148