Pomiary Auomayka Roboyka, R. 19, Nr 2/2015, 31-36, D01: 10.14313/PAR 216/31 Meoda oceny b+ d6w zinegrowanych uk+ad6w owych Wiold Dqbrowski, Sanisaw Popowski Insyu Lonicwa, al Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa Sreszezenie: W pracy przedsawiono zagadnienie szybkiej oceny błędów zinegrowanych układów owych samolou przy założeniu, że jeden z orów pomiarowych sysemu jes pomiarem u magneycznego, a drugi z orów może określić zw. giroskopowy. Przedsawiona meoda jes bardzo ława w realizacji, nie wymaga żadnych zewnęrznych urządzeń pomiarowych. Pozwala w krókim czasie ocenić wpływ poszczególnych agregaów na wielkość błędów. Jes o niezbędne do przeprowadzenia prawidłowej i skuecznej kompensacji ych błędów. sowa kluczowe: zinegrowane uk+ady owe, busola giroindukcyjna, b+ dy dewiacji 1. Wprowadzenie Do kierowania, serowania oraz do prowadzenia nawigacji wymagana jes znajomość kąów orienacji, a szczególnie kąa u, nazywanego eż kąem azymuu lub kąem odchylenia. Wśród meod jego mierzenia szeroko rozpowszechnione są meody magneyczne. Meody e znane są od co najmniej ysiąca la. Najszerzej rozpowszechnione są kompasy. Ich działanie polega na oddziaływaniu ruchomego maeriału magneycznego z ziemskim polem magneycznym. Swoją popularność zawdzięczają wyjąkowo prosej konsrukcji. Współcześnie spokać można dużo bardziej skomplikowane urządzenia, w kórych sosowane są indukcyjne lub półprzewodnikowe przeworniki pola magneycznego. Meody magneyczne mają swoje charakerysyczne cechy. Z racji niepokrywania się biegunów geograficznych i magneycznych kierunek wskazywany przez kompasy magneyczne jes nazywany em magneycznym. Różnica między em magneycznym i geograficznym jes określana jako deklinacja magneyczna. Jej znajomość jes niezbędna do wskazania północy. Deklinacja magneyczna jes wielkością zmienną. Zależy od położenia geograficznego wykonywanego pomiaru, a akże zmienia się z upływem czasu. Ponado w pomiarach magneycznych rzeba uwzględnić zakłócający wpływ ooczenia. Z jednej srony konieczne jes mechaniczne izolowanie magneycznego elemenu pomiarowego od wibracji i udarów oraz sabilizowanie w płaszczyźnie horyzonalnej, a z drugiej srony należy usuwać efeky zakłócających pól magneycznych. Te efeky objawią się jako błędy, zarówno ćwierćokrężnej wynikającej z ekranującego wpływu elemenów wykonanych z żelaza Auor korespondujccy: Wiold Dqbrowski, wiold.dabrowski@ilo.edu.pl Aryku recenzowany nades+any 12 12 2014 r, przyj y do druku 24 02 2015 r Zezwala si na korzysanie z aryku+u na warunkach licencji Creaive Commons Uznanie auorswa 1 0 miękkiego, jak i półokrężnej, wynikającej z oddziaływań maeriałów magneycznie wardych. Kompensowanie ych (szczególnie ćwierćokrężnej) jes rudne i nie do końca jes skueczne. Obecnie znaczenie układów pomiarowych oparych ylko na właściwościach magneycznych jes marginalne i sprowadza się do układów rezerwowych lub do wyposażenia bardzo anich i ubogo wyposażonych obieków, jak na przykład moolonie i samoloy ypu ulralekkiego. Większość współczesnych układów owych worzy zinegrowane sysemy pomiarowe zawierające w sobie również pomiary magneyczne. Najprosszym przykładem akiego sysemu jes busola giromagneyczna zawierająca or pomiaru magneycznego oraz or pomiaru giroskopowego. Niesey układ aki nie jes wolny od błędów. W celu określenia, a nasępnie usunięcia błędów busoli giromagneycznej zabudowanej na samolocie należy samolo usawiać na znanych kierunkach (najczęściej ośmiu) i rejesrować wskazania badanej busoli. Do ego celu używa się specjalisycznego sanowiska z ruchomą arczą dewiacyjną. Realizując akie pomiary najpierw usuwa się błąd monażowy nadajnika magneycznego, a nasępnie kompensuje się, za pomocą kompensaora, błędy półokrężnej, zgodnie z procedurą obsługi samolou. Warunki niezbędne do przeprowadzenia akiej operacji o odpowiednie miejsce do przeprowadzenia akiej procedury, o małych zakłóceniach magneycznych i elekromagneycznych oraz możliwość dokładnego usawienia samolou na wybranych kierunkach z dokładnością lepszą niż 0,2 0,5 deg. W warunkach polowych oba e założenia są rudne do spełnienia i wymagają dodakowej aparaury (np. pelengaora). Poniżej przedsawiona meoda wyróżnia się ym, że nie wymaga dodakowej aparaury badawczej. Można ją sosować do wszelkich busol giroindukcyjnuch, kóre mają możliwość odłączania korekcji magneycznej. Meoda a pozwala na szybką ocenę warości błędów (przecięny czas wykonania poniżej 10 minu) przy pracującym silniku i włączonymi poszczególnymi agregaami, kórych wpływ na wielkość błędów chcemy zbadać. 31
Meoda oceny bh;d6w zinegrowanych ukhad6w owych 2. Busola giromagneyczna - przykad zinegrowanego sysem owego Busola giroindukcyjna jes przyrządem piloażowo-nawigacyjnym, zinegrowanym [2]. Inegracja jego polega na wykorzysaniu dwóch niezależnych pomiarów u. Do jednego pomiaru wykorzysuje się magneyczny układ pomiarowy u wykorzysujący indukcyjną sondę pomiarową. Drugi pomiar wykorzysuje własności giroskopu jako układu odniesienia. Obie meody wyróżniają się ym, że charakerysyki ich błędów nawzajem się uzupełniają. Tor pomiaru u magneycznego jes podany na zakłócenia wysokoczęsoliwościowe, wykazując w długim okresie pomiaru warość średnią zbliżoną do warości rzeczywisej. Odwronie, drugi pomiar giroskopem wykazuje w krókim okresie odporność na chwilowe zakłócenia. Jednak w perspekywie długiego czasu pracy pojawiają się wolnozmienne narasające zakłócenia będące efekem działania dryfu giroskopu. Bardzo dobrze wymienione cechy charakeryzują przykładowe przebiegi charakerysycznych sygnałów busoli giroindukcyjnej podczas prosego manewru zmiany u przedsawione na rys. 1 [3]. Pierwszy, górny rysunek przedsawia rzeczywisy samolou podczas jego zmiany. Warość począkowa u wynosiła zero sopni. Nasępnie, od momenu wejścia w zakrę, narasa liniowo w czasie, a po osiągnięciu wymaganej warości kończymy manewr zakręu usala warość u na nowym poziomie. Na kolejnym rysunku przedsawiono zmierzony giroskopem. Pod koniec manewru zaczyna się ujawniać wpływ dryfu giroskopu, kóry powoduje powolne narasanie błędów. Na rysunku ym zamieszczono również przebieg u giroskopowego przefilrowanego filrem górnoprzepusowym. Na rysunku rzecim od góry przedsawiono magneyczny orzymany z sondy magneycznej podczas analizowanego Ψ rz Ψ g Ψ m Ψ b rzeczywisy samolou giroskopowy giroskopowy po filracji magneyczny magneyczny po filracji giromagneyczn gneyczny dryf Rys. 1. Przebiegi charakerysycznych sygnałów w busoli giroindukcyjnej Fig. 1. Waveforms of characerisic signals in gyro-inducion compass manewru. Cały przebieg jes zakłócony wysokoczęsoliwościowym szumem. Na rysunku ym pokazano również przefilrowany dolnoprzepusowo przebieg u magneycznego. Warunkiem prawidłowej pracy busoli giroindukcyjnej jes komplemenarność obu filrów. Wykres osani ilusruje pomiar u giromagneycznego orzymanego jako końcowy wynik pracy busoli giromagneycznej. Ten przebieg jes prezenowany jako wynik na wskaźniku busoli giromagneycznej. Jak ławo zauważyć końcowy przebieg sanowi sumę przefilrowanych przebiegów u giroskopowego i magneycznego, odpowiednio górno- i dolnoprzepusowo. Proponowana meoda oceny błędów magneycznej opiera się na możliwości rozdzielenia zinegrowanych orów pomiarowych i wykorzysania do pomiaru zmiany kierunku samego giroskopu owego. Jes o możliwe pod warunkiem, że badana busola giromagneyczna posiada przełącznik, kóry umożliwia raz pracę jako giroskopowy wskaźnik u (częso oznaczaną jako ), a drugi raz jako busola giromagneyczna z korekcją od sondy magneycznej (oznaczana jako Slave ). Zasosowanie giroskopu do pomiaru zmiany kierunku jes uzasadnione z dwóch powodów: ypowe dryfy giroskopów używanych w busolach giroindukcyjnych wynoszą około 10 30 sopni na godzinę, czas wykonania pojedynczego manewru zmiany przez samolo na płycie loniska kierunku o ką około 45 sopni wynosi kilkanaście sekund. Tak więc, błąd wynikający z działania dryfu giroskopu jes w sosunku do błędów odczyu wskaźnika do pominięcia. 3. Opis meody oceny b d6w busoli giroindukcyjnej W celu dokonania oceny błędów należy podczas kołowania na ziemi wykonać czynności opisane w punkach: 1. Usawić samolo na ie, kóry można określić w sposób niezależny od badanej girobusoli (np. na osi pasa sarowego). Zapisać warość ego u. 2. Usawić girobusolę w rybie, o ile nie znajduje się ona w ym rybie. 3. Przełączyć girobusolę w ryb Slave, i po usaleniu się wskazań zapisać wynik pomiaru u giromagneycznego. 4. Przełączyć girobusolę w ryb. 5. Wykonać obró (na ziemi) o ką zbliżony do 45 w wybraną sronę (np. w prawo). 6. Zapisać wynik pomiaru u giroskopowego. 7. Przełączyć girobusolę w ryb Slave, i po usaleniu się wskazań zapisać wynik pomiaru u giromagneycznego. 8. Wykonać czynności wymienione w punkach od 4) do 7) jeszcze 7 razy. Osani pomiar ma być wykonany na kierunku zbliżonym do usalonego w pozycji 1). Po wykonaniu cyklu obroów dla każdego badanego sanu insalacji samolou powinno pozosać 17 zapisanych odczyów z girobusoli (9 ów giromagneycznych i 8 ów swobodnego giroskopu), oraz informacja o rzeczywisej warości u począkowego, usalonego innymi meodami. Powyższa procedura powinna być wykonana na płycie loniska, z dala od elemenów konsrukcji salowych i insalacji elekrycznych. Należy zwrócić uwagę na momen usalania u giromagneycznego (w pozycji (3) i (7)). Czas usalania powinien być odpowiednio długi (ok. 30 s). Jako sprawdzenie wykonanego badania można wykorzysać fak, że pierwsze i osanie badanie jes wykonane na ie zbliżonym. Końcowy rzeczywisy określony w drodze sumowania poszczególnych przyrosów kąa mierzonych za pomocą giroskopu powinien być aki sam jak odczyany dla pierwszego kierunku. 32 P O M I A R Y A U T O M A T Y K A R O B O T Y K A NR 2/2015
Wiold Dqbrowski, Sanishaw Popowski 4. Opis wykonanych badan b d6w na samolocie 1-23 Powyżej przedsawioną procedurę zasosowano do oceny warości błędów busoli samolou I-23 przed kompensacją, a szczególnie do oceny wpływu na e błędy insalacji oświeleniowej oraz zainsalowanej aparaury rejesrującej. Zasosowana na samolocie I-23 busola KCS 55A firmy Bendix/King przedsawiona jes na rys. 2. Badanie wykonano na ziemi, na płycie pasa sarowego loniska Okęcie w okolicy progu 330. Każdy cykl obroów samolou rozpoczynano od usawienia samolou wzdłuż osi pasa na ie 148. Obroy wykonywano co ok. 45 w prawo, wykonując dla każdego kierunku kolejno pomiar u giroskopu swobodnego, a nasępnie u giromagneycznego po uzgodnieniu. Tabela 1. Badanie z włączoną aparaurą rejesrującą Table 1. The es wih acivaed logging device Kurs w rybie swobodnym Kurs w rybie magneycznym Slave Skumulowana warość u swobodnego Obliczona rzeczywisa warość u Obliczona warość 199 200 202 201,5 201,5 0,5 241 244 240,5 240,5 3,5 290 294 286,5 286,5 7,5 335 330 331 327,5 327,5 3,0 15 20 17 18,6 1,4 59 54 55 56 57,9 3,4 109 111 110,5 112,7 1,7 147 147 146,5 149,0 2,0 Rys. 2. Busola giroindukcyjna KCS 55A [4] Fig. 2. The gyro-inducion compass ype KCS 55A [4] Ze względu na duży ruch samoloów badania rzeba było w dwóch momenach przerwać. Za pierwszym razem w czasie badania wpływu aparaury rejesrującej, po wykonaniu pomiaru w okolicy kierunku 330. Po powrocie na pas ponownie usawiono samolo na ie 148, i obrócono go o ok. 225 w prawo, po czym wykonano normalny cykl pomiarów rozpoczynając od kierunku ok. 15. Za drugim razem nie można było wykonać pomiaru konrolnego po powrocie na 148 (było o w czasie badań bez włączenia aparaury rejesrującej ani świaeł pozycyjnych). W abelach 1, 2 i 3, przedsawiających wyniki pomiarów oraz obliczeń, rubryka Skumulowana warość u swobodnego jes wyznaczana przez sumowanie, począwszy od warości u pasa sarowego, różnicy akualnego u swobodnego i poprzedniego u giromagneycznego. Rubryka Obliczona rzeczywisa warość u am, gdzie nie zosał wykonany pełny obró samolou, jes powórzeniem rubryki poprzedniej. Gdy zosał wykonany pełen obró samolou, można swierdzić, porównując począkowy i końcowy magneyczny, jak duży jes błąd usawienia samolou przez piloa. Skumulowana warość u swobodnego powinna wykazywać aką samą różnicę między em począkowym a końcowym, lecz ze względu na kumulujące się błędy odczyu i dryf giroskopu ak zazwyczaj nie jes. Błąd, jaki można wyznaczyć przez odjęcie ych różnic, zosał rozdzielony proporcjonalnie do u, i odjęy od Sku- Tabela 2. Badanie z wyłączoną aparaurą rejesrującą i świałami Table 2. The es wih inacivaed logging device and urned off lighs Kurs w rybie swobodnym Kurs w rybie magneycznym Slave Skumulowana warość u swobodnego Obliczona rzeczywisa warość u Obliczona warość 193 197 195,0 195,0 2,0 241 243 239,0 239,0 4,0 289 293 285,0 285,0 8,0 332 331 324,0 324,0 7,0 17 14 10,0 10,0 4,0 60 59 56,0 56,0 3,0 99 102 96,0 96,0 6,0 33
Meoda oceny bh;d6w zinegrowanych ukhad6w owych Tabela 3. Badanie z włączonymi świałami pozycyjnymi Table 3. The es wih urned on posiion lighs 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 Kurs w rybie swobodnym Kurs w rybie magneycznym Slave Skumulowana warość u swobodnego Obliczona rzeczywisa warość u Obliczona warość 145 145 148 148 3,0 189 193 192,0 192,3 0,7 240 242 239,0 239,6 2,4 293 296 297 290,0 291,0 5,5 338 334 335 331,5 332,8 1,7 20 16 17 17,0 18,6 2,1 61 62 60 62,0 63,9 3,9 99 102 103 101,0 103,2 0,7 147 148 145 146 146,0 148,5 3,0 0,0 0,0 90,0 180,0 270,0 360,0 Z włączoną aparaurą rejesrującą Z włączonymi świałamii pozycyjnymi Z wyłączoną aparaurą i świałami Błąd włączenia świaeł Zasosowana meoda zosała przedsawiona w wersji najprosszej, obroów na płaszczyźnie poziomej (2D). Można ją rozszerzyć na kompensację błędów w przesrzeni (3D). Przykładem może być meodologia sosowana do kompensowania błędów w układzie odniesienia pionu i kierunku (AHRS), np. ypu IG-500N firmy SBG [5]. Za pomocą programu związanego z konkrenym układem pomiarowym (w ym przypadku program sbgcener do obsługi układu AHRS ypu IG-500N) możliwe jes zidenyfikowanie zakłóceń pola magneycznego poprzez porównanie warości indukcji ziemskiego pola magneycznego ze zmierzoną indukcją w chwilowym położeniu samolou względem ziemi. Po zamonowaniu urządzenia na samolocie musi być przeprowadzona procedura kalibracji pola magneycznego. Możliwa jes kalibracja prossza ylko w płaszczyźnie poziomej (2D), jak również kalibracja przesrzenna (3D). W obu meodach nie ma porzeby począkowego usawienia samolou w określonym kierunku. W czasie kalibracji dokonuje się kompensacja wpływu zarówno maeriałów magneycznych miękkich, jak i wardych. Kalibracja 2D polega na poddaniu pełnemu obroowi urządzenia (z magneomerem) i po zarejesrowaniu w zbiorze w programie sbgcener wyliczeniu odchyleń warości lokalnej indukcji w sosunku do wyliczonej wzorcowej. Skorygowane współczynniki skalowania mogą być wpisane do pamięci AHRS. Ponieważ kalibracja w ym przypadku odbywa się bez pomiaru w osi pionowej, więc w syuacji lou manewrowego wyliczanie u opiera się na pomiarach giroskopowych, czego nasępswem są błędy u. W przypadku kalibracji 3D (na odpowiednio dużej wysokości) należy zadać jak najwięcej różnych położeń przesrzennych samolou. Dokładność kalibracji jes proporcjonalna do liczby różnych orienacji samolou. W syuacji samolou o ograniczonym zakresie przesrzennych manewrów wypróbowaną meodą jes wykonanie ósemki z dużymi przechyłami oraz rozsądnymi kąami pochylenia na jak największej liczbie kierunków. Na rysunku 4 przedsawiono wyniki 10 307 pomiarów indukcji pola magneycznego wykonanych podczas pełnych manewrów (kalibracja 3D). Położenie punków pomiarowych przedsawiono na lewej kuli (w gorszych syuacjach pomiarowych jes o elipsoida), prawa kula przedsawia położenie punków po uwzględnieniu kompensacji. Warość względna wekora pola magneycznego jes zbliżona do 1 (0,998). Maksymalna warość błędu wekora pola wynosi 8 %, po kompensacji zosała zmniejszona do 2 %. Przewidywana dokładność pomiaru kąów u zosała oceniona na: warość średnia 0,4 deg, warość maksymalna 3,7 deg. -2,0-4,0-6,0 Rys. 3. Wykresy błędów Fig. 3. The graphs of deviaion errors mulowanej warości u swobodnego, co daje wynik zawary w rubryce Obliczona rzeczywisa warość u. Rubryka Obliczona warość jes wyznaczana przez odjęcie od u w rybie korekcji magneycznej obliczonej rzeczywisej warości u. Na rys. 3 przedsawiono wykresy dla wszyskich rzech pomiarów. Dodakowo zamieszczono przebieg różnicy między dewiacją z włączonymi świałami pozycyjnymi a dewiacją bez włączonych świaeł. s. 1nne przykady zasosowania proponowanej meody Rys. 4. Ilusracja działania programu do kompensacji IG-500N Fig. 4. An illusraion of operaion of he program for compensaing of he deviaion of IG-500N 6. Wnioski koncowe Zasosowana meoda określenia błędów jes meodą uproszczoną, i ze względu na, głównie, niedokładność odczyu, 34 P O M I A R Y A U T O M A T Y K A R O B O T Y K A NR 2/2015
Wiold Dqbrowski, Sanishaw Popowski a częściowo również dryfu giroskopu, ma ograniczoną dokładność. Błąd maksymalny względnego przebiegu szacuje się na poziomie od 1 do 1,5. Częściowo efek kumulacji błędów jes kompensowany za pomocą zasosowanej meody korekcji obliczeń u proporcjonalnych do łącznego obrou samolou. Nakłada się na nią błąd absoluny wynikający z niedokładności usawienia samolou na osi pasa i odczyu u począkowego, łącznie do 1. Zaproponowana meoda może być sosowana w busolach giromagneycznych, kóre mogą pracować zarówno w rybie giroskopowego wskaźnika u, jak i w rybie korekcji magneycznej. Meoda a jes ława w użyciu i bardzo szybko można ją wprowadzić dla różnych konfiguracji samolou. Tym samym może być sosowana szczególnie do oceny wpływu załączania poszczególnych agregaów na wielkość błędów. Jes przydana na eapie badań prooypu do oceny poprawności wykonanej insalacji elekrycznej samolou. Przez przeprowadzenie wielokronych pomiarów (króki czas pojedynczego pomiaru) można oszacować błędy z większą dokładnością. Meoda jes możliwa do zasosowania zarówno w sysemach 2D, jak i 3D. Bibliografia 1. Grabowski T., Popowski S., Sprawozdanie z badań błędów samolou I-23 przed kompensacją, Sprawozdanie z badań nr BO2/SB/03/050, Insyu Lonicwa, Zakład Awioniki, Elekroechniki i Inegracji Sysemów, Warszawa 2003. 2. Kayon M., Fried W.R., Avionics Navigaion Sysems, John Wiley and Sons, Inc., 1997. 3. Collinson R.P.G., Inroducion o Avionics, Chapman & Hall 1996. 4. Bendix/King KCS 55/55A Insallaion manual, AlliedSignal, Inc. 1993. 5. [www.sbg-sysems.com] Sbg Sysems (18 lisopada 2014). The Mehod of an Error Validaion of Inegraed Heading Sysems Absrae: This aricle presens he issue of he quick evaluaion of deviaion error of he aircraf heading inegraed sysems, assuming ha one par for measuremen sysem is measuring he magneic course, and he second par may deermine so called gyroscopic course. This mehod is very easy in implemenaion, i does no require any exernal measuring devices. I allows, wihin a shor period of ime, o evaluae he impac of each of he aggregaes for he value of deviaion errors. I is necessary o carry ou a proper and effecive compensaion of hese errors. Keywords: inegraed heading sysem, gyro-inducion compass, deviaion errors dr inz. Sanisaw Popowski sanislaw popowski@ilo edu pl Adiunk w Insyucie Lonicwa Absolwen Wydzia+u Mechanicznego Energeyki i Lonicwa Poliechniki WarszawskieJ w 1978 r Jego g+6wne zaineresowania badawcze o lonicze uk+ady pomiarowe, szczeg6lnie pomiary z wykorzysaniem echnologii inercjalnych mgr inz. Wiold Dqbrowski wiold dabrowski@ilo edu pl Sarszy specjalisa badawczo-echniczny w Insyucie Lonicwa Absolwen Wydzia+u Mechanicznego Energeyki i Lonicwa Poliechniki WarszawskieJ w 1979 r Jego g+6wne zaineresowania badawcze o lonicze uk+ady pomiarowe 35