Электронавигационные приборы

Общие принципы функционирования гирокомпасов типа “Standard-14” и “TG-5000”, основные свойства гироскопа с тремя степенями свободы

Простейшим вариантом гироскопа с тремя степенями свободы является гироскоп на карданном подвесе (рис. 1).

Рис. 1 гироскоп в подвесе

Ротор 1 подвешен в системе колец с возможностью вращения вокруг оси ХХ относительно внутреннего кольца 2 (естественное вращение), внутреннего кольца вокруг оси YY относительно наружного кольца 3, а последнего вокруг ZZ- ось относительно основания 4 Точка 0 для пересечения осей X — X, Y — Y и Z — Z — центр подвеса гироскопа.

Рассматриваемый гироскоп обладает следующими свойствами:

1. Большая ось свободного гироскопа стремится сохранить свое направление неизменным в инерциальном пространстве. Это означает, что если главная ось направлена ​​на звезду, то при любом движении основания, на котором установлен гироскоп, он всегда будет указывать на эту звезду, изменяя свою ориентацию по отношению к системе координат, связанной с Землей. Впервые это свойство использовал Л. Фуко для доказательства суточного вращения Земли.
2. Под действием внешней силы, приложенной к внутреннему или внешнему кольцу и создающей момент, не совпадающий по направлению с главной осью гироскопа, последний не будет двигаться в направлении действия силы (как это было бы при невращающийся ротор), но перпендикулярно этому направлению. Это свойство гироскопа называется прецессией. Прецессионное движение происходит с постоянной угловой скоростью, т е безынерционно.
3. Под действием импульса силы (удара) главная ось гироскопа практически не меняет своего первоначального направления, а лишь быстро колеблется вокруг положения равновесия. Эти колебания называются нутацией. Они особенно заметны при малых угловых скоростях собственного вращения ротора.

Свойства трехстепенного гироскопа используются в таких устройствах, как гирокомпасы, гирогоризонты, гиростабилизаторы индикаторного типа.

Суточное вращение Земли и принцип построения гирокомпаса

Гироскопический компас (гирокомпас) — навигационный гироскопический прибор, предназначенный для указания плоскости истинного меридиана и определения на этой основе курса судна и пеленга ориентиров, а также для стабилизации азимута различных узлов корабля.

Гирокомпас (ГК) — механический компас. В силу этого качества определение положения плоскости истинного меридиана с помощью ГЦ должно основываться на некоторых механических свойствах Земли. Единственным механическим свойством Земли, определяющим ту или иную плоскость (плоскость истинного меридиана наблюдателя), является ее кинематическая характеристика — угловая скорость суточного вращения Земли ω.

Рис. 2 Сферическая модель Земли

На рис. 2 представлена ​​сферическая модель Земли — шар со средним радиусом R = 6370 км. На этом рисунке показаны: вектор угловой скорости ω = 7,29×10-5 с-1 суточного вращения Земли, вектор горизонтальной составляющей ω1, вектор вертикальной составляющей ω2, кроме того;

ω1 = ωcosφ; ω2 = ωsinφ. (1)

В точке O (положение наблюдателя) строятся главные плоскости и линии горизонтальной системы координат ONEn. Более практичное и более естественное представление системы координат ONEn показано на рис. 3, где используется вспомогательная сфера произвольного радиуса.

Рис. 3 Система координат ONEn

Учитывая основное назначение ГК — определение курса корабля (а это угол лежания в горизонтальной плоскости), в принципе устройство, указывающее положение плоскости относительно плоскости истинного меридиана, расположенного по вектору ω (этот вектор, как известно, составляет с плоскостью горизонта угол, равный широте φ места.)

Горизонтальная составляющая вектора угловой скорости суточного вращения Земли ω1 = ωcosφ, направленная по линии пересечения плоскостей истинного горизонта и истинного меридиана, т.е по так называемой полуденной линии NS (за счет суточного вращения Земли, именно выше этой линии находится верхняя или нижняя кульминация любого света).

Из-за поворота плоскости к истинному горизонту с угловой скоростью ω1 наблюдаемое движение главной оси свободного гироскопа относительно этой плоскости существенно меняется в зависимости от того, расположена ли главная ось OX вдоль NS (вдоль вектора ω1) или отклонилась от нее линия на восток или запад. В последних двух случаях из-за поворота плоскости к истинному горизонту у любого наблюдателя, прикрепленного к этой плоскости, происходит угловое отклонение оси ОХ относительно плоскости истинного горизонта: либо видимый подъем, либо падать. Отличается это только поведением гироскопа слева и справа от плоскости меридиана.

Известно только одно механическое устройство, способное определить отклонение тела от плоскости к истинному горизонту, — это маятник (в самом широком смысле). Существенным обстоятельством является то, что при появлении указанного отклонения в маятнике возникает восстанавливающий момент силы тяжести, пропорциональный углу его отклонения от горизонтальной плоскости. Объединение (прямо или косвенно, т.е путем дистанционной связи) двух механических устройств: свободного (статического) гироскопа и маятника в единую систему, т.е придание гироскопу маятникового эффекта приводит к появлению в такой системе свойства селективности по отношению к плоскости истинного меридиана. Это общий принцип построения гирокомпасов маятникового типа.

Способ технической реализации гирокомпаса с непосредственным управлением

В настоящее время принято делить все существующие гирокомпасы на два больших класса: с прямым и непрямым управлением. Гирокомпасы «Стандарт-14» и «ТГ-5000» являются гирокомпасами прямого управления.

Гирокомпасами с непосредственным управлением называются такие гирокомпасы, чувствительным элементом которых является астатический гироскоп, механически связанный с маятниковым устройством, управляющим движением с помощью момента силы тяжести, пропорционального углу отклонения главной оси гироскопа от плоскость горизонта. Очень часто в литературе такие гирокомпасы называют маятниковыми. Существует несколько способов технической реализации гирокомпаса с непосредственным управлением. Наиболее известный и наиболее используемый метод состоит в жестком соединении астатического гироскопа с неуравновешенной массой, что создает положительный эффект маятника для чувствительного элемента, иначе говоря, дает более низкий маятник.

На рис. 4 показана модель такого гирокомпаса. Он состоит из ротора гироскопа 1, камеры гироскопа 2, дебалансной массы 3, 4 горизонтальных и 5 вертикальных карданных колец и направляющих вращения 6. Расстояние OG, на которое центр масс чувствительного элемента смещается вниз, называется метацентрическая высота «а”.

Рис. 4 Гирокомпас с прямым управлением

Рассмотрим поведение главной оси гирокомпаса, обладающей положительным маятниковым эффектом, относительно плоскости горизонта и меридиана. На рис. 5 показана горизонтальная система координат ONEn и показаны горизонтальная ω1 = ωcosφ и вертикальная ω2 = ωsinφ составляющие угловой скорости суточного вращения Земли.

Рис. 5 Горизонтальная система координат ONEn

Предположим, что главная ось гироскопа изначально расположена горизонтально и отклоняется от плоскости истинного меридиана на восток на угол α (положение A1). В этом положении, т.е когда ось ОХ гироскопа горизонтальна, сила тяжести P = Mg не создает момента по отношению ни к одной из осей гироскопа. Вращение плоскости горизонта со скоростью ω1 вызывает непрерывное опускание восточной половины горизонта. В результате этого главная ось гироскопа поднимается видимым образом, т е по отношению к плоскости горизонта. Это повышение происходит со скоростью, определяемой полезной составляющей ωу = ω1sinα.

Как только главная ось гироскопа поднимается над горизонтом на некоторый угол, возникает момент силы тяжести (рис. 6);

Lu = P α sinβ = M g α sinβ.

Обозначает;

M g α = B, (2)

где B — модуль крутящего момента маятника, который мы получаем в итоге;

Лу = В sinβ. (3)

Рис. 6 Гравитация

Под действием момента Lу произойдет прецессионное движение со скоростью ωpz = Lу/H, которое будет направлено в сторону совмещения оси ОХ с плоскостью истинного меридиана. Однако существует начальный интервал времени, в котором угол в еще настолько мал (и, следовательно, момент Lу еще настолько мал), что угловая скорость прецессии ωpz в это время меньше угловой скорости ω2 вращения меридиана самолет. В результате угловое расстояние между осью ОХ гироскопа и меридианом увеличивается, т е ось ОХ удаляется от него (участок пути А1 А2 на рис. 5). Так как угол β увеличивается, то при определенном значении βr наступит момент, когда скорость прецессии гироскопа сравняется со скоростью вращения меридиана. На рис. 5 эта ситуация проиллюстрирована в точке поворота А2 траектории.

Тогда, например, положение А3, значение угла i (рис. 7), постепенно увеличиваясь, превысит значение βr (см рис. 5), поэтому скорость прецессии ωpz превысит скорость ω2 (положение А3)). В результате гироскоп неизбежно обгонит плоскость меридиана, но при нахождении на максимальной высоте пройдет ее и окажется над западной половиной горизонта. Так как последний непрерывно поднимается, то ось ОХ гироскопа начнет заметно опускаться (положение А4), но продолжит прецессию со скоростью большей ю2, пока значение угла β снова не станет равным βr (положение А5). В этот момент произойдет второй изгиб пути.

Рис. 7 Увеличение угла

Вращение плоскости к истинному меридиану со скоростью ω2 можно исключить из рассмотрения, если определить поведение главной оси гироскопа относительно плоскости, соединяющей точки перегиба А2 — А5, т.е относительно плоскости, поднятой угол βr над истинным горизонтом. В такой постановке задачи наиболее целесообразно определять движение конца главной оси гироскопа с двумя линейными скоростями (см рис. 7): V1, вызванное прецессионным движением под действием момента B sin (β — βr, а V2 кажущимся движением относительно плоскости А2 — А5, которая вращается с той же скоростью ω1, что и плоскость истинного горизонта.

Равенство скоростей V1 в точках пути, имеющих одинаковый угол (β — βr), т.е расположенных симметрично слева и справа по отношению к меридиану, а также равенство абсолютных значений для противоположное направление скоростей V2 в одних и тех же точках доказывает симметричность восходящей и нисходящей ветвей пути относительно линий А2 — А5 и плоскости меридиана и, следовательно, замыкание пути, что соответствует незатухающим колебаниям.

Таким образом, гироскопически чувствительный элемент с положительным маятниковым эффектом становится, в принципе, гирокомпасом, так как он приобрел свойства избирательности по отношению к плоскости истинного меридиана, так как центр колебаний находится точно в плоскости истинного меридиана истинный меридиан. Заданный центр относительно неподвижного основания всегда можно определить путем усреднения предельных отклонений оси гироскопа по азимуту.

Полное решение задачи реализации морского гирокомпаса требует подавления его незатухающих колебаний, т е демпфирования, чтобы не геометрическая точка (центр колебаний), а материальная ось гироскопа располагалась в плоскости истинного меридиана. Ниже рассмотрен способ гашения колебаний гирокомпаса Ст-14.

Двухгирокомпасный маятниковый чувствительный элемент

Чувствительным элементом гирокомпаса с двумя гироскопами является шар 1 (рис. 8) с установленными внутри него двумя гироскопами 2 (отсюда термин «гиросфера» происходит от. Подъем и установка гиросферы). Мяч герметичен, имеет гидростатическую подвеску, выполняющую также роль электролита, и обеспечивает бесконтактную подачу питания внутри шара.

Рис. 8 Чувствительный элемент в гирокомпасе с двумя гироскопами

В большинстве моделей гирокомпасов «Стандарт» фирмы Anschütz использовалась электромагнитная центровка гиросферы (рис. 9, а), выполненная с помощью катушки, питаемой переменным током.

В последних моделях гирокомпасов Anschütz («Ст-14», «Ст-20») (рис. 9, б) используется гидродинамический метод центрирования, реализованный с помощью встроенного миниатюрного насоса.

Немецкая фирма «Plath» использует в своих гирокомпасах (рис. 9, в) подвеску гиросферы на опорной жидкости 1, а центрирование осуществляется механически с помощью вертикальной иглы 2 и каменной опоры 3.

Центр масс гиросферы (точка Г) смещен по вертикальной оси гиросферы ZZ вниз относительно центра ее подвески — геометрического центра (точка О). В результате гиросфера имеет положительный эффект маятника в гравитационном поле.

Рис. 9 а, б, в Гирокомпасы «Стандарт» и «Плат»

Рассмотрим более подробно гироскопический узел чувствительного элемента (рис. 8). Два почти одинаковых по своим характеристикам гиромотора, представляющих собой асинхронные электродвигатели с приводом от трехфазного переменного тока, расположены так, что их большие оси образуют с осью ХХ гиросферы углы n в неработающем гирокомпасе, равные 45.

Между гиромоторами (условимся называть их в дальнейшем просто гироскопами) установлена ​​упругая кинематическая связь антипараллелограммного типа, включающая два рычага, коромысло и две пружины. Такое соединение позволяет гироскопам вращаться вокруг своих вертикальных осей (параллельных оси ZZ) только на равные углы и в противоположных направлениях, т.е либо сходящимся, либо расходящимся.

Демпфирование колебаний чувствительного элемента гирокомпаса “Standard”

Для того чтобы чувствительный элемент гирокомпаса был пригоден для навигационных целей, т е для непрерывного определения курса корабля, необходимо, чтобы его физическая ось ОХ устойчиво располагалась в плоскости истинного меридиана. Это соответствует требованию, чтобы указанная плоскость стала положением своего статического равновесия (а не динамически, как в режиме незатухающих колебаний).

Таким образом, задача ставится так: главная ось чувствительного элемента при любом произвольном отклонении от плоскости истинного меридиана до запуска гирокомпаса должна через некоторое время выйти на эту плоскость и оставаться в ней (практически говоря, в своей малая окрестность) в течение бесконечного времени.

Для обеспечения такого поведения чувствительного элемента необходимо гасить его колебания, то есть сделать их из незатухающих затухающими.

Из теории колебаний известно, что демпфирование можно реализовать с помощью момента, имеющего фазовый сдвиг на 90° по отношению к маятниковому моменту (принцип работы баков «Фрама», которые используются для уменьшения качки корабля при волны).

Техническим устройством, с помощью которого в гирокомпасе Ст-14 создается дополнительный маятниковый момент, имеющий необходимый фазовый сдвиг по отношению к основному маятниковому моменту, является гидравлический маятник (система сообщающихся сосудов, заполненных жидкостью), который устанавливается внутри чувствительного элемента и жестко скреплен с оболочкой (рис. 10).

Рис. 10 Маятниковый момент

Сосуды и соединительная трубка расположены по оси ХХ. При такой установке жидкость течет в плоскости XOZ, то есть моменты от образующейся избыточной жидкости формируются вокруг оси YY.

Выбрав подходящую жидкость (высоковязкое минеральное масло) и изготовив соединительную трубу с малой площадью рабочего сечения, можно добиться необходимой силы вязкого трения, соединяющей жидкость с гиросферой, и обеспечить необходимую задержку колебаний жидкости относительно колебаний гиросферы под углом β. Следует подчеркнуть, что при таком способе гашения колебаний сохраняется непосредственное управление движением чувствительного элемента, осуществляемое силой тяжести, действующей как на сплошной, так и на гидравлический маятники.

Одногироскопный маятниковый чувствительный элемент с жидкостно-торсионным подвесом

Одним из последних достижений мировой гирокомпасной техники является создание одногироскопического маятникового гирокомпаса, основной характеристикой которого является высокая точность в условиях тангажа, которая долгие годы считалась недостижимой для гирокомпасов этого типа.

К таким гирокомпасам относится гирокомпас «ТГ-5000». Рассматриваемый гирокомпас занимает промежуточное положение между двухмаятниковым гирокомпасом с автономным чувствительным элементом и регулируемым гирокомпасом с непрямым управлением, так как поведение в одних условиях является достаточным или близким к первому из названных аналогов, а в других обстоятельствах , ко второму.

Важнейшее принципиальное отличие рассматриваемого маятникового гирокомпаса с одним гироскопом от уже изученного двухгироскопа, также маятникового гирокомпаса, заключается в системе подвеса чувствительного элемента, которую можно отнести к жидкостной торсионной.

В отличие от гирокомпаса Ст-14 положение центра масс одинарного чувствительного элемента гиромаятника гирокомпаса ТГ-5000 не расположено в линейной зависимости внутри сферы слежения.

Перейдем к рис. 11, на котором изображена гиросфера 1 с торсионным (проволочным) подвесом 2, помещенная внутри шарика слежения 3 и полностью погруженная в непроводящую силиконовую жидкость 4 высокой вязкости.

Рис. 11 Маятниковый датчик с одинарным гироскопом

Гиросфера имеет слабую отрицательную плавучесть. Внутри него размещен жестко связанный с ним гиромотор 5. Ротор 7 и статор 6 образован двухкоординатным индукционным датчиком угла, формирующим электрические сигналы, пропорциональные углам рассогласования между гиросферой и шаром слежения.

Обратим особое внимание на следующие четыре пункта, отмеченные на рис. 11:

• точка G — центр масс гиросферы, точка приложения равнодействующей силы веса всех элементов гиросферы P;
• точка А — центр плавучести (в данном случае — геометрический центр) гиросферы, точка приложения равнодействующей архимедовых опорных сил W;
• точка С — точка крепления торсиона к гиросфере, точка приложения его растягивающей силы S;
• точка О — центр подвески гиросферы, точка крепления торсиона к ведомой сфере.

Существенным отличием подвеса рассматриваемого гирокомпаса является то, что он не определяет положение центра подвеса, как у гирокомпасов Ст-14, относительно сферы слежения. Этот факт является следствием расположения центра подвеса вне гиросферы, что позволило придать чувствительному элементу эффект положительного маятника с центром масс, совпадающим с центром плавучести.

Введем следующие обозначения для параметров подвеса: расстояние GC = d, расстояние CO = ρ.

Обладание положительным маятниковым эффектом обеспечивает непосредственное управление движением чувствительного элемента со всеми вытекающими последствиями, особенно появлением свойства избирательности по отношению к плоскости истинного меридиана.

Действительно, в положении, показанном на рис. 11, при размещении чувствительного элемента так, чтобы его главная ось (вектор момента) находилась в горизонтальной плоскости, а точки G, A, C, O находились на одной вертикали, сила кручения образуется как разность между сила тяжести P и архимедова сила W;

S = P — W, (4)

не создает момента относительно какой-либо оси гиросферы.

Однако если ось ОХ чувствительного элемента, отклоняющаяся, например, на восток от плоскости истинного меридиана, по этой причине начинает подниматься над плоскостью истинного горизонта и образует угол β, положение кардинально изменится. Как видно из рис. 12 сила натяжения кручения S вместе с силой (P — W) создает момент относительно оси Y — Y гиросферы, причем вектор момента будет направлен в сторону отрицательных значений указанной оси, то есть на запад.

Рис. 12 Величина момента гирокомпаса «ТГ-5000”

В результате действия момента Ly также происходит прецессионное движение к западу, т е к плоскости истинного меридиана. Таким образом, сложилась уже известная ситуация, которая подробно рассмотрена в разделе 1.3 с окончательным выводом о том, что чувствительный элемент приобрел свойство избирательности по отношению к плоскости истинного меридиана, и совершал вокруг него незатухающие эллиптические колебания.

Нетрудно найти величину момента Ly. Из рис. 12 следует:

Ly = (P — W)d sinβ ≈ (P — W)dβ. (5)

Так как разность P — W характеризует остаточный вес гиросферы в жидкости, то можно написать:

P – W = ∆Md, (6)

(значение Δ M обычно называют подстройкой массы). Произведение Δ Md по аналогии с двухгироскопическим компасом будем называть моментным модулем маятника и обозначать его символом B, т е.:

В = ∆Md. (7)

Таким образом, окончательно имеем следующее выражение для горизонтального управляющего момента:

Ly = Bβ, (8)

то же, что и в гирокомпасе Ст-14 (см формулу (3)), со всеми теми же последствиями.

Демпфирование колебаний чувствительного элемента гирокомпаса типа “TG-5000”

Дальнейший анализ поведения чувствительного элемента гирокомпаса требует введения двухканальной следящей системы, обеспечивающей непрерывное согласование положения следящего шара с гиросферой. Для этого (рис. 13) шарик толкателя подвешен в двухосном кардане, образованном шпангоутами 1 и 2.

Рис. 13 Шарик для отслеживания гироскопического компаса

Горизонтальный канал следящей системы включает в себя датчик угла 5 (горизонтальная координата), усилитель 4 и азимутальный серводвигатель 3. Вертикальный канал устроен аналогично: датчик угла 5 (вертикальная координата), усилитель 6 и вертикальный серводвигатель 7. Остальные элементы конструкции уже показаны на рис.11.

Движение гиросферы по углу α непрерывно обрабатывается горизонтальным каналом системы слежения. В результате таких испытаний торсион постоянно раскручивается и, таким образом, гиросфера остается свободной от действия вертикального упругого момента.

При движении гиросферы на угол β подготавливается вертикальный канал системы слежения. В результате происходящего при этом вращения следящей сферы (см рис. 12) гиросфера меняет свое относительное положение внутри следящей сферы, смещаясь в сторону ее опущенной части. Отметим, что, несмотря на такое движение следящего шара, вязкая жидкость, окружающая гиросферу, оказывает на него очень слабое влияние, так как период этого движения очень велик.

Необходимость вертикального канала к системе слежения (заведомо отсутствующего в маятниковом компасе с двумя гироскопами) вызвана способом гашения колебаний гиросферы. Суть метода заключается в следующем (см рис. 13). Сигнал ошибки, пропорциональный углу β, который вырабатывается датчиком угла 5 (вертикальной координаты), помимо расчета положения сервомасла по вертикальному каналу следящей системы, параллельно, через усилитель 4, подается на азимутальный серводвигатель 3 в виде дополнительного сигнала (который также пропорционален несоразмерности угла а). Производится дополнительная доработка серводвигателя 3, в результате чего гиросфера находится под действием вертикального упругого момента, который является управляющим моментом и может быть представлен в следующем виде:

Lz = Dβ, (9)

где D — модуль вертикального демпфирующего момента.

Этот момент пространственно сдвинут по фазе на 900 по отношению к моменту Ly = Bβ.

момент Lz вызовет прецессионное движение гиросферы в плоскости угла β, и при правильном выборе знака указанное движение будет таким, что конец вектора H будет стремиться совпасть с плоскостью истинного горизонта.

Взаимодействие горизонтального маятникового момента Ly и вертикального упругого момента Lz обеспечивает движение конца вектора Н по сходящейся спирали, то есть создается необходимый режим затухающих колебаний гиросферы. После завершения колебаний гиросфера придет в устойчивое равновесное положение относительно плоскости истинного меридиана и истинного горизонта.

Скоростная девиация гирокомпаса и ее учет

В предыдущих пунктах было установлено, что гироскопический прибор с маятниковым эффектом приобретает свойство избирательности по отношению к азимутальным направлениям, так как имеет своим положением равновесия плоскость истинного меридиана, т.е вертикальную плоскость, содержащую вектор горизонтальная составляющая суточного вращения Земли ω1 = ω cosφ.

В свете этой закономерности естественно возникает следующий вопрос: не могут ли в процессе использования гирокомпаса возникнуть условия, при которых, кроме упомянутой горизонтальной составляющей ω1, появятся какие-то дополнительные векторы угловой скорости в плоскости горизонта, в результате что это будет за смещение положения равновесия главных осей чувственного элемента от плоскости истинного меридиана? Нетрудно прийти к выводу, что источником таких дополнительных угловых скоростей может быть движение базы (объекта) гирокомпаса по сферической поверхности Земли. По этой причине необходимо определить набор угловых скоростей, который будет восприниматься чувствительным элементом гирокомпаса, установленного на судне, движущемся с постоянной скоростью и постоянным курсом.

Движение корабля считается заданным, если известны его курс IR и скорость V (рис. 14).

Рис. 14 Курс IR и скорость V корабля

Другим вариантом определения движения является установка скоростей компонентов:

ВН — по меридиану и ВЭ — по параллели (см рис. 14). Связь между двумя альтернативами устанавливается следующими условиями:

VN = Vcos IR; VE = Vsin IR. (10)

Поскольку движение судна происходит на земной сфере, существование линейных скоростей неизбежно приведет к возникновению каких-то угловых движений. Для определения существующих угловых скоростей обратимся к рис. 15, где положение корабля на земном шаре задается координатами φ и λ, а его движение — компонентами VN и VE скорости.

Рис. 15 Угловая скорость судна

Хорошо видно, что движение с линейной скоростью VN по дуге большого круга с радиусом, равным R, приводит к появлению угловой скорости, вектор которой по модулю равен VN/R и направлен по прямой ЭВ до В.

Следовательно, движение с линейной скоростью VE, происходящее по дуге параллели радиусом r = Rcosφ, приводит к возникновению угловой скорости, вектор которой равен отношению VE/Rcosφ.

Используя то свойство, что вектор угловой скорости является свободным вектором, т.е может быть перенесен параллельно самому себе в любую точку, отложим этот вектор на оси вращения Земли, т.е на оси PNPS относительно PN.

Теперь устанавливается набор угловых скоростей (поле угловых скоростей), который воспринимается чувствительным элементом гирокомпаса, установленного на движущемся корабле. В указанное поле угловых скоростей входят составляющие ω1 и ω2 угловой скорости суточного вращения Земли (переносные угловые скорости) и составляющие VN/R и VE/Rcosφ угловой скорости вращения корабля относительно Земли. Все эти компоненты показаны на рис. 16, из которого хорошо видно, как они разлагаются по осям горизонтальной системы координат ONEn.

Рис. 16 Горизонтальные системы координат ONEn

В результате поле угловой скорости однозначно характеризуется следующим
три составляющие: а) по оси NS в сторону N; б) по оси Е — W в сторону Е; в) по оси Z — n в сторону n, т.е соответственно:

U1=(ωcosϕ+VER); U2=-ВНР; U3=–(ωsinϕ–VERtgϕ). (одиннадцать)

С позиций, указанных в пункте 1.8, основной интерес представляет тот факт, что в плоскости истинного горизонта вместо одной составляющей ω1 = ωcosφ, как это было в случае неподвижного основания, находились три составляющие, в том числе VN /R — ортогональный к ωcosφ.

На рис. 17 показана плоскость истинного горизонта (вид из зенита) и
компоненты U1 и U2, расположенные в этой плоскости, приведены в развернутом виде.

Рис. 17 Плоскость истинного горизонта

Положение вектора результирующей ωΣ относительно истинной
меридиан определяется углом δv, тангенс которого находится по формуле:

tgδV=–VN/Rωcosϕ+VE/R (12)

или после несложных преобразований с учетом значений, приведенных в формуле (10):

tgδV=–V cosIRRωcosϕ+VsinIR (13)

(знак «минус» означает, что при заданных начальных условиях угол δv имеет западное название). Поскольку положение равновесия главной оси ОХ чувствительного элемента гирокомпаса теперь находится в вертикальной плоскости, содержащей результирующий вектор ωΣ, эта плоскость называется плоскостью компасного меридиана, а ее угловое отклонение от плоскости истинного меридиан δv – отклонение скорости гирокомпаса.

Формула (13), вполне точная с математической точки зрения, с практической противоречива, так как для определения курсовой ошибки — угла δv — необходимо знать истинное значение последнего. Для устранения этого недостатка преобразуем формулу (13), используя известное из навигации общее соотношение:

ИК = КК + δв. (14)

Используя уравнения (14), представим выражение (13) в виде:

sinδVcosδV=–V cos(KK+δV)Rωcosϕ+V sin(KK+δM),

что идентично следующему выражению:

sinδvRωcosφ = – V[cos(KK + δv)cosδv + sin (KK + δv) sinδv]

или:

sin δvRωcosφ = – Vcos КК,

где:

sinδV=–V cosKKRωcosϕ. (15)

Основные закономерности отклонения скорости, вытекающие из анализа формулы (15), состоят в следующем.

1. Возникновение скоростных аномалий обусловлено наличием северной составляющей скорости корабля.
2. Отклонение линейно зависит от скорости корабля.
3. Отклонение носит полукруговой характер в зависимости от курса компаса (максимальное абсолютное значение отклонения достигается на курсах 0 и 180°, нулевое — на курсах 90 и 270).
4. Зависимость отклонения от широты определяется функцией 1/cosφ, поэтому особенно сильное возрастание ее численного значения происходит на широтах выше 60.
5. Отклонение скорости не зависит от параметров гирокомпаса, т.е величина одинакова для всех типов гирокомпасов.

Отклонение скорости в гирокомпасе «Ст-14» учитывают с помощью таблиц, а в гирокомпасе «ТГ-5000» — путем исключения его из показаний всех репитеров с помощью полуавтоматического корректора (см ниже).

Инерционные девиации

Отклонения инерции в гирокомпасах «Ст-14» и «ТГ-5000» возникают в результате маневрирования корабля, т.е при изменении скорости или курса корабля.

Эти отклонения возникают из-за наличия в чувствительном элементе эффекта маятника.

Отклонение, возникающее в результате действия сил инерции на маятниковое устройство, называют отклонением инерции первого рода. Единственный способ не допустить его появления — придать периоду незатухающих колебаний гирокомпаса значение 84,4 мин. Однако период незатухающих колебаний гирокомпаса зависит от широты местонахождения корабля, и по этой причине инерционное отклонение первого рода полностью отсутствует только на определенной широте, называемой расчетной широтой гирокомпаса (обозначается φ*).

Например, для гирокомпаса «Ст-14» расчетная широта φ* 54° (широта Гамбурга). При плавании вне расчетной широты гирокомпас обязательно будет иметь инерционное отклонение первого рода при маневрировании. Для сертифицированных гирокомпасов это отклонение относительно невелико, а пределы ограничены резолюцией ИМО А-424.

Из-за наличия в конструкции гирокомпаса некоторого устройства для гашения его колебаний при маневрировании возникает инерционное отклонение второго типа. В гирокомпасах «Ст-14» и «ТГ-5000» отсутствуют устройства, предотвращающие возникновение этого отклонения. Величина отклонения второго типа не зависит от широты места и может складываться (в φ > φ*) с инерционным отклонением первого типа.

Интеркардинальная девиация (девиация на качке)

Межкардинальная девиация – это отклонение гирокомпаса, возникающее при качке корабля на волнах. Это отклонение появляется из-за наличия эффекта маятника в чувствительном элементе гирокомпаса.

В гирокомпасе «Ст-14» межкардинальное отклонение уменьшено до величины, предписанной резолюцией ИМО, с помощью системы из двух спаренных гироскопов.

В гирокомпасе «ТГ-5000» снижение девиации осуществляется за счет использования в подвесе чувствительного элемента жидкости чрезвычайно высокой вязкости.

Рекомендуемое чтение:
Связь для передачи корреспонденции
«Система судовых отчетов» и «Маршрутные отчеты с судов»