DWUCZĘ STOTLIWOŚ CIOWY Ż YROSKOP LASEROWY POMIAR PARAMETRU NAWIGACYJNEGO

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK XLVII NR (64) 006 Tadeuz Dą brwi DWUCZĘ STOTLIWOŚ CIOWY Ż YROSKOP LASEROWY POMIAR PARAMETRU NAWIGACYJNEGO STRESZCZENIE W artyule przedtawin budwę, zaady alibracji uładu pmiarweg raz zaady pmiaru parametru nawigacyjneg, jaim jet wartść przeunięcia ątweg dwuczęttliwściweg żyrpu laerweg Przedtawin również mżliwści wyrzytania dwuczęttliwściweg żyrpu laerweg w nawigacji mriej WSTĘP Wetr wpółrzędnych pzycji i ruchu jednti mże być utalny zgdnie z zaadami gedezji wyżzej pierającej ię na gedezji atrnmicznej, gedezji gemetrycznej i gedezji fizycznej Rzwój wpółczenej technlgii metrlgicznej umżliwia reślenie wetra wpółrzędnych pzycji i ruchu jednti w pób niezależny d pla ił grawitacyjnych Ziemi, pla ił ciężści i ił dśrdwych Ziemi, tóre dla wich ptrzeb wyrzytuje wpółczena gedezja Mżliwść nweg rzwiązania w zareie pzycjnwania bietów, w uładach wpółrzędnych niezwiązanych z plem ił ciężści Ziemi, z dładnścią nie mniejzą d uzyiwanych przez wpółczene ytemy atelitarne i w uładzie w pełni autnmicznym, twarzają załżenia terii gedezji inematycznej Oparte na tej terii rzwiązania patentwe urządzenia dwuczęttliwściweg żyrpu laerweg twarzają całiem nwe perpetywy w zareie rzwju wpółczenej nawigacji i prawdpdbnie w wielu innych dziedzinach nauwych J Galińi, H Kwali, Żyrp laerwy światłwdwy dwuczęttliwściwy, zgł pat nr P

2 Tadeuz Dąbrwi UKŁAD POMIAROWY DWÓCH ŻYROSKOPÓW Uład pmiarwy dwuczęttliwściweg światłwdweg żyrpu laerweg łada ię z dwóch urządzeń, działających na zaadzie interfermetru Sagnaca Ogólna budwa żyrpu laerweg przedtawina jet na ryunach, i 3 P K Ry Punt alibracji uładu pmiarweg Ry Żyrp w płazczyźnie równleżniwej (płudniwej) Ry 3 Uład pmiarwy dwóch żyrpów : pdtawa uładu pmiarweg; żyrp λ; 3 żyrp ϕ; 4 płazczyzna żyrpu λ; 5 płazczyzna żyrpu ϕ; 6 urządzenie d natawiania ąta ϕ pmiędzy płazczyzną 4 żyrpu 3 a ieruniem działania iły ciążenia G; 7 łżywana ś umżliwiająca brót pdtawy 360 Tamże 34 Zezyty Nauwe AMW

3 Dwuczęttliwściwy żyrp laerwy pmiar parametru nawigacyjneg Uład pmiarwy łada ię z dwóch dwuczęttliwściwych światłwdwych żyrpów laerwych (dalej w rócie nazywanych żyrpami laerwymi) Żyrpy λ (znaczny na ry 3 numerem ) i ϕ (znaczny numerem 3) przężne ą ze bą mechanicznie, a płazczyzny tych żyrpów (numery 4 i 5) utawine ą na tałe pd ątem 90 Żyrp λ płączny jet z pdtawą (numer l) za pmcą urządzenia (numer 6) d natawiania ąta ϕ zerści gegraficznej puntu alibracji uładu pmiarweg Pdtawa (numer ) wypażna jet w łżywaną ś (numer 7), tóra umżliwia bracanie pdtawy ąt n 360 Uład pmiarwy żyrpu laerweg utawiny jet w puncie alibracji dładnie w płazczyznach równleżniwej (żyrp λ ) i płudniwej (żyrp ϕ ) z dładnścią 0 rad ŻYROSKOP LASEROWY DWUCZĘSTOTLIWOŚCIOWY Żyrp laerwy dwuczęttliwściwy jet urządzeniem działającym w parciu zaadę działania interfermetru Sagnaca Interferujące fale ptyczne nie pchdzą ze źródła herentneg Taa budwa interfermetru laerweg dwuczęttliwściweg pzwala na ddzielenie ygnału pmiarweg d zumu Kryterium ptymalizacji uzyiwanej pprzez minimalizację zumów uładu pmiarweg wyrzytywane jet w interfermetrach z nietacjnarnym brazem prążów interferencyjnych Budwa taieg żyrpu przy wyrzytaniu chematu blweg przedtawina jet na ryunu 4 [3], [4], [5] L f = f ( Ω ), f I T [ S ] Sp T I L f = f ( Ω ) Ry 4 Budwa żyrpu laerweg dwuczęttliwściweg (64) , f

4 Tadeuz Dąbrwi Pjedynczy żyrp laerwy (ry 4) zbudwany jet z dwóch laerów L raz L Są t laery półprzewdniwe częttliwściach włanych f, f Wiązi światła biegną p trach światłwdwych w dwóch przeciwnych ierunach Try prpagacji światła laerweg znaczn ja T, T f dpplerwa zmiana częttliwści fali świetlnej, związana z ruchem przemiezczająceg ię bietu, gdzie: Ω przeunięcie ątwe żyrpu; f częttliwść prpagwanej fali świetlnej Sygnały pmiarwe prpagwanej fali świetlnej I, I wynzą dpwiedni [4], [5]: v = I A c f t + ϕ ; () c v = I A c f t + ϕ, () c gdzie: I, I A, A f, f ϕ ϕ v, natężenie fal świetlnych; amplitudy fal świetlnych; częttliwści fal świetlnych; faza fal świetlnych; prędść przemiezczania ię detetra uładu żyrpu laerweg Natępnie ygnały ą umwane i ptęgwane na umatrze S : S ( I + I ) v c v ϕ (3) c = = c + + c A f t A f t + ϕ Detetr D pełniający ddatw w uładzie pmiarwym rlę filtru dlnprzeputweg nie przepuzcza częttliwści f, f, ( f + f ) Sygnał wyjściwy S p piuje uprzczne (uprzczenie wynia z działania filtru) równanie: 36 Zezyty Nauwe AMW

5 Dwuczęttliwściwy żyrp laerwy pmiar parametru nawigacyjneg S p A + A v v = + A ( ) A c f f f f t + ( ϕ + ϕ ), (4) c c v v gdzie: f f, f f dpplerwie zmiany częttliwści fal świetlnych wyniające z ruchu brtweg c c żyrpu Warune minimum zumu dla żyrpu laerweg reśla f f = cnt dla Ω = 0 (pełniny jet wówcza warune v = 0 ), a detecja ąta brtu Ω żyrpu laerweg wynia z pmiaru różnicy częttliwści dwóch interferujących fal laerwych Jet t różnica częttliwści włanych generatrów fal świetlnych f, f i częttliwści włanych laerów L, L KALIBRACJA UKŁADU POMIAROWEGO O Z z γ 90 α r a P P β P α P P R r O O = O Z Ry 5 Kalibracja uładu pmiarweg żyrpu laerweg w płazczyźnie równleżniwej Uład pmiarwy żyrpu laerweg dwuczęttliwściweg umiezczny jet w puncie alibracji P na ramieniu długści a Uład pmiarwy żyrpu laerweg związany jet z bryłą Ziemi w puncie P za pmcą regulatra dwóch tpniach wbdy Itnieje mżliwść regulacji ątów α raz β Żyrp laerwy bracany jet ąt γ z puntu P d puntu P i gdy znajdzie (64)

6 Tadeuz Dąbrwi ię dładnie w płazczyźnie równleżnia (regulacja dładna ątami α i β ), ztanie pełniny warune f = f f = max Ta alibrwany uład pmiarwy żyrpu laerweg wyznacza płazczyznę równleżniwą z dładnścią pmiaru różnicy częttliwści włanych generatra fali eletrmagnetycznej Płazczyznę płudniwą puntu alibracji uładu pmiarweg żyrpu laerweg trzymamy pprzez brót urządzenia ąt α = 90, gdy pełniny jet warune minimum ygnału f = f f = min Prta prtpadła z d płazczyzny równleżniwej w puncie P jet równległa d i brtu Ziemi O Płazczyzna równleżnia berwatra (puntu alibracji uładu pmiarweg żyrpu laerweg) jet wyznaczna przez warune maimum ygnału ( f f = max ) fali elermagnetycznej i prtpadła d i Ziemi O Płazczyzna płudnia berwatra (puntu alibracji uładu pmiarweg żyrpu laerweg) jet wyznaczna przez warune minimum ygnału ( f f = min ) fali elermagnetycznej i przechdzi przez ś Ziemi O Jeżeli wpółrzędne puntu alibracji uładu pmiarweg wyznaczne ztaną za pmcą innych metd, np metdami gedezji atrnmicznej, lub ztanie dnany pmiar umżliwiający reślenie wartści prmienia równleżnia r, t itnieje mżliwść wyznaczenia wpółrzędnych puntu alibracji uładu pmiar- P ϕ, λ, weg w lalnym uładzie rientacji związanym z puntem alibracji ( ) jednznacznie reślającym płżenie puntu w przetrzeni r ZASADA POMIARU PARAMETRU NAWIGACYJNEGO Żyrp laerwy dwuczęttliwściwy jet uładem w pełni autnmicznym mierzącym przeunięcie ątwe żyrpu w płazczyźnie równleżniwej i płudniwej Mierzną wielścią fizyczną jet zmiana różnicy częttliwści ygnału świetlneg w przemiezczającym ię żyrpie laerwym Parametrem nawigacyjnym jet wartść przeunięcia ątweg żyrpu laerweg w płazczyźnie równleżniwej i płudniwej Wartść przeunięcia wbdneg ruchu brtweg Ziemi zapiana jet w blu pamięci i uwzględniana w bliczeniach przyrtów wartści ątwych uładu pmiarweg 38 Zezyty Nauwe AMW

7 Dwuczęttliwściwy żyrp laerwy pmiar parametru nawigacyjneg α ϕ λ O Z P α P P P R r ϕ λ ω Z O Ry 6 Przyrty ątwe ϕ w płazczyźnie płudniwej O = O Z Ry 7 Przyrty ątwe λ w płazczyźnie równleżniwej W mmencie alibracji żyrpu laerweg wpółrzędne teg puntu ą równe: ) W uładzie lalnym, związanym z puntem alibracji żyrpu laerweg: P ( λ r ) K K, K, K ϕ [], gdzie: ϕ = 00 K zerść gegraficzna puntu alibracji w uładzie lalnym; λ = 000 K długść gegraficzna puntu alibracji w uładzie lalnym; r K prmień równleżnia puntu alibracji żyrpu laerweg wartści blicznej z prędści ruchu brtweg Ziemi i znanej wartści zerści gegraficznej wyznacznej metdami gedezji atrnmicznej lub atelitarnej ) W uładzie WGS-84: P ( λ h ) W W, W, W ϕ, gdzie: ϕ W λ h W W zerść gegraficzna puntu alibracji w uładzie WGS-84; długść gegraficzna puntu alibracji w uładzie WGS-84; wyść nad elipidą (64)

8 Tadeuz Dąbrwi W uładzie lalnym, związanym z puntem alibracji żyrpu laerweg, tóry mże być reślny dla dwlneg puntu na pwierzchni Ziemi, wyznaczenie pzycji bietu puntu dbywa ię niezależnie d zmian zachdzących w rzładzie ma Ziemi, rzładzie ił pla grawitacji Ziemi i niezależnie (dla małeg przedziału czau) d zmian w płżeniu ierunu i Ziemi Wpółrzędne pczątu uładu lalneg, znajdująceg ię w puncie alibracji żyrpu laerweg, wyznaczne ą dla chwilweg płżenia i Ziemi i chwilweg rzładu ił pla grawitacji Ziemi P przeunięciu uładu pmiarweg żyrpu laerweg d puntu P trzymamy wpółrzędne: ) W uładzie lalnym, związanym z puntem alibracji żyrpu laerweg: P ( λ r ) K K, K, K gdzie: ϕk = ϕ K + ϕ PP ; λ = λ + λ ; r K K PP = N ϕ, K c K ϕ, gdzie: N prmień rzywizny przerju pprzeczneg elipidy chwilwej wyznacznej w mmencie alibracji żyrpu laerweg ) W uładzie WGS-84: P ( λ r ) W W, W, W ϕ, gdzie: ϕ λ h = ϕ + ϕ W W ; = λ + λ W W ; = hw + h W Dla załżnej dładnści wyznaczenia przeunięcia ątweg uładu pmiarweg żyrpu laerweg wynzącej 0 eundy ątwej itnieje mż- liwść ntrli pprawnści wazań innych urządzeń łużących d wyznaczania wetra wpółrzędnych i ruchu jednti wyznaczanych w uładzie WGS Zezyty Nauwe AMW

9 Dwuczęttliwściwy żyrp laerwy pmiar parametru nawigacyjneg WNIOSKI Uład pmiarwy żyrpu laerweg jet uładem w pełni autnmicznym i nie wymaga jaiejlwie muniacji z jaimlwie uładem zewnętrznym Wyrzytanie uładu pmiarweg dwuczęttliwściweg żyrpu laerweg w nawigacji mriej umżliwi zwięzenie niezawdnści prceu pzyiwania danych wpółrzędnych pzycji i wetrze ruchu jednte 3 Pełna autnmicznść działania uładu pmiarweg dwuczęttliwściweg żyrpu laerweg pzwli na wyrzytanie g w nawigacji jednte nawdnych i pdwdnych, zapewniając pełną niezależnść działania taich bietów 4 Itnieje mżliwść wyrzytania dwuczęttliwściweg żyrpu laerweg w zadaniach nawigacji precyzyjnej, taich ja manewrwanie w prtach, na awenach granicznych czy ścieśninych raz w całej gamie zatwań militarnych, gdzie pierwzplanwe znaczenie ma autnmicznść ytemu BIBLIOGRAFIA [] Czarneci K, Gedezja wpółczena w zaryie, Wiedza i Życie, 996, Warzawa [] Dąbrwi T, Influence f a reference ytem n the accuracy f a hip pitin, VIII Internatinal Maritime Cnference: Safety f Surface, Suburface and Flight ver the Sea Apect, Gdynia 005, Plih Jurnal f Envirnmental Studie, 005, Olztyn, pp 6 9 [3] Kwali H, Galińi J, Dąbrwi T, Accuracy f the fix-further prpect, VIII Internatinal Maritime Cnference: Safety f Surface, Suburface and Flight ver the Sea Apect, Gdynia 005, Plih Jurnal f Envirnmental Studie, 005, Olztyn, pp [4] Kwali H, Galińi J, Tranducer f a linear velcity with Lrentz Tranfrmatin, patent prtectin N P [5] Kwali H, Galińi J, Tw-frequency laer light-guide gyrcpe, patent prtectin N P [6] wwwcbwawpl [7] wwwphyicbereleyedu/reearch [8] wwwwettzellifagde (64) 006 4

10 Tadeuz Dąbrwi ABSTRACT The paper preent the tructure, principle f calibratin f meaurement ytem and principle f meaurement f navigatinal parameter, which i the magnitude f angle hift in a duble-frequency laer gyrcpe It al hw the pibility f uing the duble-frequency gyrcpe in marine navigatin Recenzent prf dr hab inż Andrzej Feli 4 Zezyty Nauwe AMW