Гироскопические курсоуказатели - Погрешности гирокомпасов с непосредственным управлением и способы ее компенсации

Скоростная погрешность ГК и способы ее компенсации

Ранее было установлено, что гироскопическое устройство, обладающее маятниковым эффектом, приобретает свойство избирательности по отношению к азимутальным направлениям, так как имеет своим положением равновесия плоскость истинного меридиана, т. е. ту вертикальную плоскость, которая содержит вектор горизонтальной составляющей суточного вращения Земли. Движение корабля считается однозначно заданным, если известны его скорость V и истинный курс ИК. Другим вариантом определения движения является задание составляющих скоростей: V_N – вдоль меридиана и V_E – вдоль параллели. Связь между двумя вариантами устанавливается следующими соотношениями:
.
Поскольку движение корабля происходит по земной сфере, существование линейных скоростей неизбежно вызовет появление некоторых угловых движений. Равнодействующая всех составляющих угловых скоростей, лежащих в плоскости горизонта, определяется выражением:

и по направлению – углом δ V, тангенс которого находят по формуле:
или после простых преобразований:.
Поскольку положение равновесия главной оси О X ЧЭ ГК теперь располагается в вертикальной плоскости, содержащей вектор равнодействующей ω_Σ, указанная плоскость получает название плоскости компасного меридиана, а ее угловое отклонение от плоскости истинного меридиана δ_V получает название скоростная девиация гирокомпаса.
Формула совершенно точная с математической точки зрения, противоречива с практической точки зрения, поскольку для определения погрешности курса  — угла δV необходимо знать истинное значение последнего. Для устранения этого недостатка преобразуем в выражение:
.
Для практических расчетов удобно использовать следующее выражение:

где — линейная скорость точки экватора, выраженная в узлах.
Основные закономерности скоростной девиации, вытекающие из анализа формул, состоят в следующем:
1.Возникновение скоростной девиации обуславливается наличием у корабля северной составляющей скорости движения.
2.Девиация линейно зависит от скорости корабля.
3.Девиация имеет полукруговой характер зависимости от компасного курса (максимальные по абсолютному значению девиации достигаются на курсах 0 и 180˚, нулевые – на курсах 90 и 270˚).
4.Зависимость девиации от широты определяется функцией 1/cos φ = sec φ, поэтому особенно резкое увеличение его численного значения происходит в широтах выше 70˚.
Скоростная девиация в ГК учитывается путем ее исключения из показаний всех репитеров с помощью корректоров полуавтоматического или автоматического типа. При скоростях, не превышающих 25 уз, в широтах не выше 80˚ скоростная девиация имеет значение, не превышающее 10˚.

Инерционные погрешности ГК и способы их компенсации

При изменении кораблем курса или скорости к центру тяжести ЧЭ будет приложена сила инерции, которая приведет к возникновению возмущающих моментов. Под действием этих моментов гиросфера прецессирует, в результате чего в показаниях ГК появляются погрешности. Погрешности ГК, установленного на маневрирующем корабле, называются инерционными или баллистическими девиациями.
ЧЭ двухгироскопного компаса имеет пониженный центр тяжести. Поэтому при маневрировании корабля за счет сил инерции, приложенных к центру масс ЧЭ, будут возникать возмущающие моменты. Если до маневра гиросфера находилась в положении динамического равновесия, то после изменения кораблем курса или скорости за время действия сил инерции она уйдет из прежнего положения. ЧЭ получит некоторое прецессионное движение, которое после того, как установятся новые условия работы, прекратится и линия NГ-SГ  гиросферы займет новое положение динамического равновесия, отвечающее этим новым условиям.
Прецессионное движение гиросферы под действием меридиональной составляющей ускорения называется инерционной прецессией, а угол, на который развернется гиросфера под действием сил инерции,— инерционным перемещением. За время маневра корабля изменение скоростной девиации составит:. Поведение ГК, установленного на маневрирующем корабле, может характеризоваться следующими случаями.
1. Сила инерции обеспечивает такую скорость прецессии, что за время маневра гиросфера установится в новое положение динамического равновесия. В этом случае баллистическое перемещение равно изменению скоростной девиации, т. е.. К окончанию маневра гиросфера установится в новом гироскопическом меридиане. Во время маневра линия N_Г-S_Г ЧЭ как бы следит за мгновенным положением динамического равновесия в азимуте, соответствующему мгновенному значению V_N. Такое движение гиросферы называется апериодическим переходом к новому положению динамического равновесия (в новый компасный меридиан). В этом случае после окончания маневра никаких колебаний относительно меридиана ГК не имеет.
2. Скорость баллистической прецессии меньше той, которая обеспечивает апериодический переход гиросферы в новое положение равновесия. При таком условии за время маневра ЧЭ не успеет переместится в новое положение равновесия, т. е.. Отклонение ЧЭ от нового компасного меридиана называется инерционной (баллистической) девиацией первого рода. Наибольшее значение эта девиация имеет сразу после окончания маневра, а затем колебательным законом уменьшается до нуля.
3. Скорость баллистической прецессии больше той, которая необходима для апериодического перехода. В этом случае ЧЭ за время маневра перейдет новый компасный меридиан, так как. Также возникнет инерционная девиация первого рода. К концу маневра отклонение ЧЭ будет максимально. Далее гиросфера затухающими колебаниями будет приходить в меридиан.
При условии, что период собственных колебаний ГК на неподвижном основании= 84,4 минуты, осуществляется апериодический переход ГК в новое положение динамического равновесия. Условие апериодического перехода было установлено впервые в 1910 году немецким профессором М. Шулером. Оно может быть сформулировано следующим образом: если период собственных незатухающих колебаний ГК равен периоду колебаний математического маятника длиной, равной радиусу Земли, то при маневре корабля гиросфера будет осуществлять апериодический переход в новое положение равновесия. При постоянных параметрах ГК равенство Т₀=84,4 мин можно обеспечить только для одной широты. Эта широта называется расчетной. Для ГК, изготавливаемых в РФ, расчетной широтой является 60˚.
Таким образом, причиной возникновения инерционной девиации первого рода является несоответствие периода собственных НЗК значению 84,4 мин. Инерционная погрешность 1 рода может достигать значительной величины.

0	20	40	60	80
1,9˚	1,8˚	1,32˚	0˚	-7,06˚

Поэтому в апериодических ГК для предупреждения возникновения ИП1 регулируют период НЗК ГК независимо от широты плавания корабля. Регулировку НЗК можно производить изменением угла разведения гиромоторов с помощью неавтоматических и автоматических дистанционных электромеханических схем. Угол между осями гиромоторов устанавливается в соответствии с широтой плавания, курсом и скоростью корабля, которые вводятся и учитываются непрерывно и автоматически.
Возникающие при маневре корабля силы инерции воздействуют не только на пониженный центр тяжести гиросферы, но и на масло жидкостного успокоителя. Под действием этих сил масло будет перетекать из одного сосуда в другой. В результате в одном из сосудов образуется избыток масла, создающий момент L΄y. Под его действием гиросфера будет иметь скорость прецессии в сторону нового компасного меридиана, отличную от той, которая необходима для апериодического перехода ЧЭ в новое положение равновесия. Из-за наличия момента L΄y скорость прецессии будет меньшей и за время маневра гиросфера не дойдет до нового компасного меридиана. После окончания маневра момент Ly исчезнет, так как перестанет действовать ускорение. Но избыток масла в одном из сосудов будет максимальный (он начнет уменьшаться, но мгновенно исчезнуть не может). Под действием уменьшающегося момента L΄y компас начнет уходить от нового компасного меридиана. Скорость этого ухода будет снижаться по мере уменьшения избытка масла. Примерно через четверть периода затухающих колебаний избыток масла исчезнет и уход от меридиана прекратится. На этот момент и приходится максимальное отклонение ЧЭ от нового положения равновесия.
Ошибка в показаниях ГК, возникающая из-за наличия у него устройства для погашения колебаний, называется инерционной (баллистической) девиацией второго рода.  Поскольку далее гиросфера затухающими колебаниями будет приходить в меридиан, то и девиация второго рода будет уменьшаться. ИП2 обычно меньше ИП1 и в реальных условиях плавания составляет ±0,5°. Для устранения ИП2 необходимо на время маневра перекрыть нижнюю трубку успокоителя, через которую перетекает жидкость. В большинстве ГК имеются системы, которые позволяют отключать затухание колебаний во время маневра и переводить ГК на время маневра в режим НЗК. Затухание можно отключить вручную или автоматически.
При наличии ускорения по параллели, сила инерции создает момент L'x, вызывающий прецессию гироскопов внутри гиросферы. Такое движение приведет к тому, что изменится натяжение пружин, которые создадут моменты, действующие вокруг вертикальных осей гироскопов, но направленные в разные стороны. Под действием этих моментов гиросфера будет прецессировать вокруг оси ОXГ, т. е. появится угол крена ЧЭ. Следовательно, скорость прецессии гиросферы буде больше скорости вращения меридиана, и за время маневра гиросфера пройдет новое положение динамического равновесия. С прекращением маневра исчезнут ускорения по меридиану и параллели, но углы крена гиросферы будут уменьшаться до нуля примерно четверть периода. Поэтому гиросфера продолжает удаляться от компасного меридиана. В момент стабилизации гиросферы вокруг главной оси отклонение ЧЭ от нового компасного меридиана будет максимально. Если в это время включить устройство для погашения колебаний, то гиросфера затухающими колебаниями придет в новый компасный меридиан. Таким образом, из-за неполной стабилизации гиросферы вокруг главной оси при маневре корабля у ГК возникает инерционная (баллистическая) девиация 3 рода. Абсолютная величина ИП3 невелика. Она меньше ИП1 и ИП2 и реальных условиях плавания не превышает 0,3−0,5°. Для предупреждения ИП3 необходимо обеспечить полную стабилизацию гиросферы ГК вокруг оси X.

Способы определения и учета поправки ГК

Гироскопические компасы предназначены для определения и хранения направления истинного меридиана, выработки курса корабля и трансляции потребителям.
Вырабатываемый ГК с НУ курс содержит систематические (постоянные), периодически изменяющиеся и случайные погрешности, представляющие собой случайные функции времени. Поэтому мгновенную поправку гирокомпаса можно представить формулой:
     ,                                  где ΔГК_п
– постоянная часть поправки гирокомпаса;
ΔГК_пер(t) – периодически изменяющаяся часть поправки;
ΔГК_сл(t) – сслучайная составляющая часть поправки гирокомпаса.
На рисунке представлена графическая реализация случайного процесса, характеризующего изменение поправки гирокомпаса с течением времени.
Определенная в момент t1 величина поправки гирокомпаса по измерению одного компасного пеленга является мгновенной. Ее использовать в штурманской практике не рекомендуется. В момент t2 взята серия из n компасных пеленгов, вычислено n поправок гирокомпаса и в расчет принята средняя поправка:  ,                                   где ΔГК^ср_пер(t) – средняя величина периодически изменяющейся части поправки гирокомпаса.
Поправку ΔГКср (t) называют поправкой пеленга и пользуются ею для исправления компасных пеленгов в течение непродолжительного времени (15−20 минут) с момента ее определения.
Курсы исправляются постоянной поправкой гирокомпаса ΔГКп, которую определяют, как правило, при нахождении корабля в базе. Рекомендуется следующий порядок определения постоянной поправки гирокомпаса:
-Выполняется техническое обслуживание гирокомпаса в объеме ежемесячного. Регулировкой устраняются обнаруженные систематические погрешности блоков и узлов.
-Выбираются для пеленгования ориентиры (небесные светила с высотами до 30˚, береговые ориентиры, теодолитные посты).
-Определяются: точное место корабля, поправки измерителей времени (хронометра, палубных часов, СЕВ) и период ТК колебаний чувствительного элемента гирокомпаса относительно меридиана в режиме затухающих колебаний (выбирается из паспорта, формуляра или вычисляется по формуле по известной широте местонахождения корабля).
-Рассчитываются (или выбираются) промежутки времени, через которые предполагается осуществлять пеленгование выбранного ориентира (ориентиров) сериями из 5−7 пеленгов в намеченные моменты времени t1, t2, t3,… (рис. 1). Если период изменения погрешности гирокомпаса, например, равен ТК=120 мин, то можно промежутки времени между сериями пеленгов рассчитать по формуле:
.
-Производится пеленгование сериями (из 5−7 пеленгов) выбранных ориентиров. При пеленговании небесных светил замечаются точные моменты времени по секундомеру (палубным часам). В случае пеленгования береговых ориентиров, координаты которых известны, вычисляются или снимаются с плана местности (или по карте крупного масштаба) истинные пеленги, необходимые для вычисления эталонных (вычисленных) значений азимутов на светило в моменты измерения компасных пеленгов.
-Вычисляются единичные поправки гирокомпаса по каждому измерению в серии:
, после чего рассчитывается средняя поправка гирокомпаса в серии:
,                                           где n – количество измеренных компасных пеленгов в серии.
Поправки, найденные по формуле, по существу представляют собой поправки пеленгов на средний момент каждой серии. Они отягощены как постоянной, так и периодической частью погрешности, соответствующей среднему моменту измеренной серии компасных пеленгов.
-Вычисляется постоянная часть поправки гирокомпаса, как средняя арифметическая из средних поправок серий компасных пеленгов:
.
-Полученная поправка ΔГК_П сравнивается с ее допустимой величиной, записанной в контрольном листе ТО и в техническом формуляре гирокомпаса. Если величина ΔГК_П превышает допустимое значение, то работы по техническому обслуживанию гирокомпаса продолжаются, выявляются и устраняются систематические погрешности блоков и узлов, после чего повторно определяется постоянная поправка гирокомпаса, как описано выше.
-Полученная постоянная поправка гирокомпаса записывается в журнал ЭНП, в контрольный лист ТО, в технический формуляр гирокомпаса и заносится в таблицы, вывешиваемые в штурманской рубке (справочные таблицы штурмана).
Аналогично организовывается определение постоянной поправки гирокурсоуказателей (двухрежимных компасов) при работе в режиме гирокомпаса с учетом их тактико-технических характеристик.