МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

На правах рукопису

ЧЕПЮК Ларіна Олексіївна

УДК 528.563

СТРУННИЙ ГРАВІМЕТР АВТОМАТИЗОВАНОЇ

АВІАЦІЙНОЇ ГРАВІМЕТРИЧНОЇ СИСТЕМИ

05.11.01 – Прилади та методи вимірювання механічних величин

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2015

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизованого управління технологічними

процесами та комп’ютерних технологій Житомирського державного

технологічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

БЕЗВЕСІЛЬНА Олена Миколаївна,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, професор

кафедри приладобудування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

ЛАРІН ВІТАЛІЙ ЮРІЙОВИЧ,

Національний авіаційний університет

Міністерства освіти і науки України, професор

кафедри аеронавігаційних систем

доктор технічних наук, професор

КОШОВИЙ МИКОЛА ДМИТРОВИЧ,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.

Жуковського “Харківський авіаційний інститут,

завідувач кафедри авіаційних приладів і

вимірювань

Захист відбудеться “11” грудня 2015 р. о 1430

годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д26.002.07 при Національному технічному

університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056,

м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус №1, ауд. 317.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного

технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за

адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “10” листопада 2015 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент

Ю.В. Киричук

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вивчення параметрів гравітаційного поля Землі

(прискорення сили тяжіння g та його аномалій Δg) необхідне у геодезії,

геофізиці, геодинаміці, океанології. Інформація про гравітаційне поле Землі

використовується в авіаційній і космічній техніці (корекція систем

інерціальної навігації ракет, літаків, орбіт космічних літальних апаратів),

для дослідження геодинамічних явищ, для реалізації задач інженерної

геології, археології, прогнозу землетрусів.

Гравіметричні вимірювання проводили на поверхні Землі, на

підводному човні, на надводному судні і на літальному апараті (ЛА).

Наземні вимірювання забезпечують найбільш високу точність

(0,01мГал). Однак, вони здійснюються повільно. Райони полюсів, екватора,

океанів для таких вимірювань недоступні. Морські вимірювання мають

точність меншу, ніж наземні вимірювання (0,1 0,5 мГал). Однак, морські

вимірювання неможливі у гірських та у віддалених районах океанів.

Вимірювання на ЛА дозволяють здійснювати вимірювання Δg у

важкодоступних районах земної кулі зі швидкістю значно більшою, ніж

наземні. Тому проведення високоточних авіаційних вимірювань є

актуальним. Для цих цілей використовують авіаційні гравіметричні

системи (АГС), чутливим елементом яких є гравіметр.

Значний вклад у розвиток методів та засобів гравіметричних

вимірювань внесли наукові школи, сформовані в Інституті геофізики ім.

С.І. Субботіна НАНУ під керівництвом академіка НАНУ Старостенка В.І.,

у Науковому Центрі аерокосмічних досліджень Землі Інституту

геологічних наук НАНУ під керівництвом академіка НАНУ Лялько В.І., в

Інституті геологічних наук НАНУ під керівництвом академіка НАНУ

Гожика П.Ф., у ННЦ “Інститут метрології” під керівництвом к.е.н.

Дудолада О.С. та у НТУУ “КПІ” під керівництвом д.т.н., професора

Безвесільної О.М.

Успіхи в авіаційній гравіметрії були б неможливими без досягнень у

галузі інерціальних систем навігації (ІНС) та чутливих елементів ІНС,

висвітлених у наукових працях школи видатних вчених НТУУ “КПІ”:

Одинцова А.А., Павловського М.А., Збруцького О.В., Самотокіна Б.Б.,

Карачуна В.В., Рижкова Л.М. та інших.

Розвиток теорії струнних перетворювачів пов’язаний з іменами

українських та закордонних учених: Лозинської А.М., Стакло А.В., Яшаєва

І.Л., Рябікова Ю.К., Кноррінга В.Г., Кондрашкової Г.А., Давиденкова Н.Н.,

Карцева Є.А., Скачко Ю.В. та інших. Питання метрології, корисні при

дослідженнях похибок перетворювачів, широко висвітлені у роботах

Кваснікова В.П., Коломійця Л.В., Короткова В.П., Новицького П.В.,

Бичківського Р.В. та інших.

Аналіз сучасної літератури показав, що найбільш відомими сьогодні є

2

гравіметри: кварцовий ГАЛ-С Аерогравіметричної лабораторії Інституту

Фізики Землі РАН; кварцовий ГІ 1/1 Раменського приладобудівного заводу;

струнний “Гравітон-М” ДНВП Аерогеофізики; кварцовий “Чекан-АМ”,

концерну “ЦНДІ “Електроприлад”; магнітні МАГ-1 та GT-1A ПАТ

“Гравіметричні технологіі” та “Canadian Micro Gravity”; гіроскопічні PIGA

16, PIGA 25 Массачусетського технологічного інституту. Точність

вказаних гравіметрів недостатня: (3 – 10) мГал. Швидкодія їх також мала.

Вони не автоматизовані. Обробка результатів проводиться після льоту ЛА

на Землі протягом декількох місяців. До того ж, ці гравіметри вимірюють

разом із прискоренням сили тяжіння вертикальне прискорення h .

Високоточне вимірювання h є складною науково-технічною проблемою і

вимагає застосування додаткових фільтрів. У НТУУ “КПІ” розроблено та

досліджено автоматизовані гіроскопічні вимірювачі g. Однак, точність їх

недостатня (2 мГал).

Тому актуальною науково-технічною задачею є підвищення точності та

швидкодії вимірювань величини прискорення сили тяжіння (ПСТ) шляхом

створення нового струнного гравіметра автоматизованої АГС.

У дисертації розроблено та досліджено новий струнний гравіметр (СГ)

автоматизованої авіаційної гравіметричної системи (патент України №

109746 p.).

Зв’язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами,

темами.

Дослідження та розробки, узагальнені у дисертаційній роботі,

виконувались у рамках відповідних науково-дослідних робіт між

кафедрою автоматизованого управління технологічними процесами та

комп’ютерних технологій (АУТП та КТ) Житомирського державного

технологічного університету (ЖДТУ) та Міністерством освіти і науки

України:

− № 2638ф “Узагальнення та розвиток теорії та експериментальних

основ створення гравіметричних засобів вимірювання з динамічним

настроюванням” (номер держреєстрації 0103U000237): здобувачеві

належить розділ 5, в якому розглянуто моделювання роботи гравіметра у

найбільш несприятливих резонансних режимах;

− № 2803ф “Теорія та принципи побудови нового екологічного

комп’ютерно-інтегрованого діагностичного комплексу з використанням

нанотехнологій, нейронних мереж” (номер держреєстрації 0105U001085):

здобувачеві належить розділ 6, в якому розглянуто застосування нейронних

мереж для обробки двовимірної вимірювальної інформації про механічні

величини;

− № 21 “Розробка і дослідження нового двокільцевого динамічно

настроюваного гравіметра для прецизійних навігаційних та гравіметричних

систем” (номер держреєстрації РК0106U008512): здобувачеві належить

розділ 3, в якому розглянуто питання оцінки похибок вихідного сигналу

3

гравіметра;

− № 25 “Розробка теорії і принципів побудови засобів вимірювання

двовимірних механічних величин” (номер держреєстрації РК0109U001873):

здобувачеві належать розділи 4 і 5, в яких розглянуто способи

моделювання тривимірних випадкових величин та обробки результатів їх

сумісного впливу;

− №33 “ Наукові основи та фундаментальні дослідження приладової

системи для вимірювання механічних величин з цифровими

відеозображеннями ” (номер держреєстрації РК0112U001793): здобувачеві

належить розділ 4, в якому викладено основні принципи використання

алгоритмічних методів обробки вимірювальної інформації в приладовій

системі для визначення механічних величин;

− № 2113 “Наукові теоретичні та експериментальні дослідження для

одержання нових знань про закономірності розподілу гравітаційних

аномалій Землі” (номер держреєстрації 0108U000623): здобувачеві

належить розділ 3, в якому викладено основні принципи фільтрації

гравіметричної інформації;

− №2411ф “Науково-теоретичні дослідження нової прецизійної

інерціальної навігаційної системи в екстремальних умовах з використанням

нейронних мереж” (номер держреєстрації 0111U000714): здобувачеві

належить розділ 12, в якому викладено основні принципи використання

нейронної мережі у комплексі орієнтації і навігації АГС;

− тема № К`ЗА-83 «Система вібро- та ударозахисту гіростабілізованої

платформи» (номер державної реєстрації 0113U 005692, 2013- 2014рр.):

здобувачеві належить розділ 2, в якому наведено математичну модель

системи;

− тема № К`ЗА-277 «Система вібро- та ударозахисту приладів типу КВГ»

(номер державної реєстрації 0114U005347, 2014рр.): здобувачеві належить

розділ 2, в якому досліджено взаємний вібраційний вплив чутливих

елементів (ЧЕ) один на одного через систему віброзахисту;

− тема № К`ЗА-364 «Новий прецизійний чутливий елемент стабілізатора

озброєння» (номер державної реєстрації 0114U005347, 2014р.): здобувачеві

належить розділ 1, в якому наведено аналіз сучасного стану проблеми,

функціональна схема та принцип дії ЧЕ.

Мета та задачі дослідження

Мета: підвищити точність та швидкодію вимірювань прискорення

сили тяжіння шляхом використання нового струнного гравіметра

автоматизованої авіаційної гравіметричної системи.

4

Основні задачі:

- провести аналітичний огляд літератури у галузі авіаційної

гравіметрії, скласти порівняльну характеристику існуючих гравіметрів

АГС, вказати їх переваги та недоліки;

- надати опис конструкції та викласти принцип дії нового СГ

автоматизованої АГС;

- скласти математичну модель нового СГ автоматизованої АГС;

- вирішити проблему фільтрації вихідного сигналу СГ

автоматизованої АГС;

- дослідити основні похибки СГ та запропонувати способи їх

зменшення;

- провести за допомогою ЕОМ математичне моделювання роботи

нового СГ автоматизованої АГС в умовах, максимально наближених до

умов льоту ЛА, проаналізувати результати моделювання;

- обґрунтувати доцільність використання нейронних мереж для

зменшення інструментальних та інших складових похибок нового СГ

автоматизованої АГС;

- провести експериментальні дослідження нового СГ.

Об’єкт дослідження: процес вимірювання прискорення сили тяжіння

шляхом використання нового струнного гравіметра автоматизованої

авіаційної гравіметричної системи.

Предмет дослідження: новий струнний гравіметр автоматизованої

авіаційної гравіметричної системи.

Методи дослідження:

− аналіз науково-технічної літератури та патентних баз даних

(розділ 1);

− аналіз принципу дії струнного перетворювача для виведення

математичної моделі нового СГ (розділ 2);

− метод фільтрації для вирішення проблеми ліквідації впливу

високочастотних завад на вихідний сигнал нового СГ (розділ 2);

− методи теорії випадкових процесів для аналізу точності нового СГ

(розділ 3);

− теоретичні дослідження СГ із урахуванням діючих на нього

параметрів зовнішнього збурення (розділ 4);

− аналіз методів інтелектуальних обчислень на основі штучних

нейронних мереж (розділ 4);

− теорія синтезу вимірювальних інформаційних систем для розробки

системи реєстрації сигналу СГ (розділ 5);

− експериментальні дослідження нового СГ з використанням

обчислювальних комп’ютерних програм для підтвердження адекватності

висновків теоретичних досліджень (розділ 5).

5

Наукова новизна отриманих результатів:

– уперше розроблено та досліджено новий СГ автоматизованої АГС

більшої точності (1 мГал) від відомих гравіметрів (2 – 10 мГал);

– уперше вирішено проблему фільтрації вихідного сигналу СГ

автоматизованої АГС шляхом встановлення частоти власних коливань СГ,

рівній частоті перетину спектральних щільностей корисного сигналу g та

сигналу основної завади вертикального прискорення ЛА;

– уперше запропоновано, на відміну від відомих наукових робіт по

струнним гравіметрам (що мають нелінійну залежність вихідного сигналу

частоти струни f від g), використовувати у якості матеріалу струни

тензочутливий матеріал, що забезпечує лінійність вихідного сигналу СГ;

– на відміну від відомих наукових робіт з авіаційної гравіметрії,

уперше проведено цифрове моделювання на ЕОМ найбільш небезпечних

резонансних режимів роботи нового СГ: ω=ω0, ω=2ω0, ω=3ω0, ω=ω0/2,

ω=ω0/3. Встановлено, що резонанс виникає тільки при ω=ω0=0,1 рад/с,

однак при збільшенні коефіцієнта демпфування до 0,705 резонанс зникає;

– уперше запропоновано використовувати нейронні мережі для

зменшення інструментальних похибок нового СГ та інших навігаційних

елементів АГС;

– уперше проведено експериментальні дослідження нового СГ на

лабораторному стенді. Результати експериментів збіглись із результатами

аналітичних досліджень та цифрового моделювання на ЕОМ.

Новизну отриманих результатів підтверджено патентом України

№ 109746.

Практичне значення одержаних результатів: – обґрунтовано доцільність використання нового СГ автоматизованої

АГС більшої точності (1 мГал) від відомих гравіметрів (2 – 10 мГал);

– створено нову лабораторну установку для експериментальних

досліджень СГ;

– розроблено нові методику та алгоритм досліджень g та Δg СГ

автоматизованої АГС.

Зазначені результати дозволяють підвищити точність вимірювання g

у 2 рази (1 мГал) та швидкодію у 10 разів порівняно з відомими авіаційними

гравіметрами (2 – 10) мГал.

Результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальному процесі

на кафедрі АУТП та КТ ЖДТУ при проведенні лекційних, лабораторних та

практичних занять із навчальних дисциплін “Технічні засоби

автоматизації”, “Метрологія, технологічні вимірювання та прилади”,

“Інформаційно-комп’ютерні системи в АУТП”, а також − у дослідження по

тематиці ПАТ “НВО “Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського”.

Особистий внесок здобувача Основні теоретичні положення дисертаційної роботи розроблено разом

із науковим керівником д.т.н., проф. Безвесільною О.М. Автором

6

проведено аналіз існуючих сьогодні гравіметрів АГС, надано опис

конструкції та викладено принцип дії нового СГ автоматизованої АГС.

Отримано математичну модель нового СГ. Вирішено проблему фільтрації

вихідного сигналу СГ автоматизованої АГС. Запропоновано

використовувати у якості матеріалу струни тензочутливий матеріал, що

забезпечує лінійність вихідної характеристики СГ. Досліджено можливі

похибки вимірювання СГ та запропоновано засоби і методи по їх

усуненню. Проведено цифрове моделювання на ЕОМ та лабораторні

експериментальні дослідження роботи нового СГ. Обґрунтовано

можливість та доцільність використання нейронних мереж для зменшення

інструментальних похибок СГ та інших складових автоматизованої АГС.

Достовірність та обґрунтованість отриманих результатів підтверджено

збіжністю аналітичних розрахунків, результатів експериментів та

моделювання на ЕОМ.

Апробація результатів роботи. Результати досліджень дисертаційної

роботи доповідались на наступних конференціях: І науково-технічна

конференція “Сучасні тенденції розвитку приладобудування” (Луганськ,

2012р.); VІ - VІІI міжнародні науково-практичні конференції “Інтегровані

інтелектуальні робото-технічні комплекси” (ІІРТК-2013-2015) (Київ, 2013-

2015рр.); ІІ міжнародна науково-практична конференція “Сучасні

інформаційні системи та технології (AIST-2013)” (Суми, 2013р.);

міжвузівська науково-практична конференція, присвячена Дню науки

(Житомир, 2013-2015рр.); науково-практична конференція студентів та

аспірантів “Погляд у майбутнє Приладобудування” (Київ, 2013, 2015рр.); X

Mezinarodni vedecko-practicka konference “Predni vedecke novsnky – 2014”

(Прага, 2014р.); THE 6-TH WORLD CONGRESS “ AVIATION IN THE XXI-

st CTNTURY” “Safety in Aviation and Space Technologies”, 2014 (Київ,

2014р.); X INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND PRACTICAL

CONFERENCE «CONDUCT OF MODERN SCIENCE - 2014» (Шеффілд,

2014р.), 5 Міжнародна конференції студентів і молодих науковців “Сучасні

інформаційні технології 2015” (MIT-2015) (Одеса, 2015 р.).

Публікації: за темою дисертаційної роботи опубліковано 36 наукових

праць, із них 2 монографії, 14 статей у провідних наукових (9 фахових, 1

науково метрична, 4 міжнародні), 17 тез доповідей на конференціях, 1

патент та 2 заявки на винаходи.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із

вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел

із 138 назв та 6 додатків. Роботу викладено на 175 сторінках основного

друкованого тексту. У тексті використано 84 рисунки та 19 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дослідження та доцільність

використання нового СГ автоматизованої АГС, сформульовано мету і

7

задачі дослідження, наукову новизну, практичне значення отриманих

результатів.

У розділі 1 проведено аналіз сучасного стану авіаційної гравіметрії.

Наведено порівняння основних технічних параметрів та характеристик

найбільш відомих гравіметрів АГС. Обґрунтовано доцільність дослідження

нового СГ автоматизованої АГС. Сформульовано точнісні вимоги до

основних компонентів АГС із СГ.

Наведено функціональну схему автоматизованої АГС із новим СГ

(рис. 1) (патент України № 109746 від 25.09.2015 p.) та описано принцип дії

нового СГ АГС.

,0 hАЕfg

z

Гравіметр

Система

визначення

навігаційних

параметрів

V

k

φ

Вимірювач

висотиh

E

A

БЦОМ

0

0

f g

+A+E

g

1

24

3

5

11

10

ІМ12

6

7

8

f1

f2

fz

9

Рис. 1. Автоматизована АГС із СГ

АГС для вимірювань Δg містить систему 1 визначення навігаційних

параметрів, вимірювач 2 висоти і встановлений на двовісній платформі

гравіметр 3, виходи яких підключені до входів БЦОМ 4. Чутливий елемент

гравіметра 3, розміщений у герметичному корпусі 8 і виконаний у вигляді

двох ідентичних вертикальних струн 6, 7. Вони прикріплені одним кінцем

до верху і низу інерційної маси (ІМ) 5, що прикріплена до протилежних

бічних сторін герметичного корпусу 8 пружним елементом 12. Вільні кінці

8

вертикальних струн 6, 7 з’єднані зі струнними генераторами 10, 11, виходи

яких з’єднані з входами суматора 9.

АГС для вимірювань Δg працює наступним чином.

На інерційну масу 5 діє прискорення сили тяжіння zg , вертикальне

прискорення h літака та сумарні інструментальні похибки i від впливу

залишкової неідентичності конструкцій однакових струн, від впливу зміни

температури, вологості та тиску зовнішнього середовища (рис. 2). Рівняння

сил уздовж осі Oz чутливості гравіметра, спрямованої уздовж вертикальних

струн, буде мати вигляд:

,221 zzzz mgihmmgihmmgfff (1)

де f1 вихідний сигнал зі струнного генератора 10; f2 вихідний сигнал зі

струнного генератора 11; z

f вихідний сигнал з суматора 9; m маса.

5

hm

z

7

6

hm

zmg

i

i

O

zmg

З рівняння (1)

видно, що вихідний

сигнал із суматора 9

містить подвоєне

значення корисного

сигналу прискорення

сили тяжіння та не

містить вертикального

прискорення h літака та

сумарних інстру-

ментальних похибок i .

Вихідний сигнал

zf з суматора 9

подається у БЦОМ 4,

куди також подаються

вихідні сигнали від

системи 1 визначення

навігаційних параметрів

та вимірювача 2 висоти.

Рис. 2. Принцип дії нового СГ АГС

У БЦОМ 4 обчислюється значення аномалії Δg ПСТ за формулою

[7]:

,0 АЕfg z (

(2)

де z

f – вихідний сигнал струнного гравіметра 3; Е − поправка Етвеша; А −

поправка за висоту; γ0 − довідкове значення прискорення сили тяжіння.

9

З рівняння (2) видно, що у ньому відсутня складова похибки h . Всі

відомі гравіметри вимірюють h та i одночасно з g. Це приводить до

великих похибок. Величина h у 103 більша g. Також відсутня

інструментальна похибка i . Таким чином, забезпечується суттєве

підвищення точності вимірювань новим запропонованим СГ.

Отримано основне робоче рівняння визначення аномалії прискорення

сили тяжіння за допомогою автоматизованої АГС із СГ, в якому, на відміну

від відомих, відсутнє значення основної завади – вертикального

прискорення ЛА:

,cos22sincos2

sin)()(

sin)()(

cossin2)2

sin1(cos2121

0

22

30

12

12

12

12

2

3

22

2

hr

hkv

r

eh

tt

tt

tt

tktk

k

m

kvk

er

vfg

З

z

(3)

де fz − вихідний сигнал СГ; gz – прискорення сили тяжіння вздовж осі

чутливості гравіметра; v – швидкість ЛА; r – радіус місцезнаходження ЛА;

е – стиск еліпсоїда; φ – географічна широта; k – курс ЛА; ω3 – кутова

швидкість обертання Землі; h – висота ЛА над еліпсоїдом; h − вертикальна

швидкість ЛА; γ0 – довідкове значення прискорення сили тяжіння .

У рівняння (3) введено на відміну від відомих робіт, додаткові

поправки (у поправку Етвеша (Е), у поправку за висоту (А), поправку від

впливу кутової швидкості обертання Землі.

У розділі 2 отримано математичну модель нового СГ автоматизованої

АГС. Струна являє собою механічну коливальну систему (рис. 2).

Рух ІМ із прискоренням gz забезпечує сила, пов’язана з ним згідно з

другим законом Ньютона:

,zmgP (4)

де P – сила тяжіння, яка діє на ІМ; m – маса.

Під час руху ІМ на неї діють сила пружності струни, сила опору руху

та інерційна сила від дії вертикального прискорення ЛА.

Сила пружності струни, відповідно до закону Гука, дорівнює:

,хFпр (5)

де Fпр сила пружності струни; к коефіцієнт пружності, який залежить

від властивостей струни, x – зміна довжини струни.

10

Сила Fор опору руху ІМ:

,dt

dxnFор (6)

де n коефіцієнт затухання.

З урахуванням (4), (5) і (6) отримаємо:

.xdt

dxnmgz (7)

Кінцеве рівняння руху СГ із врахуванням інерційної сили 2

2

dt

xdmFi

матиме вигляд:

.2

2

zmgxdt

dxn

dt

xdm (8)

Через інерційність конструкції СГ, двома першими складовими у

наступному будемо нехтувати. Рівняння руху СГ в умовах установки на

Землі, буде

.xm

g z

(9)

В умовах установки СГ АГС на ЛА використовується рівняння (3).

Проаналізовано спектральні щільності корисного сигналу g та

сигналу основної завади h ЛА. Якщо обрати частоту власних коливань

СГ, рівною 0,1 рад/с, то СГ буде виконувати функції фільтра низьких

частот. Він буде відокремлювати сигнал g від h . При цьому у вихідному

сигналі СГ також усуваються інші компоненти збурень, переважна

частота яких більша за 0,1 рад/с (поступальні та кутові

віброприскорення).

За рахунок вибору конструктивних параметрів СГ можна

забезпечити його частоту власних коливань ω0=0,1 рад/с з рівняння:

z

O

zmgP

x

Рис. 2. Коливальна система СГ

11

,0

Mg

l (10)

де m – маса, г; l – довжина струни, мм; – густина матеріалу струни,

г/мм.

Таким чином, усунено необхідність використовувати фільтр низьких

частот, як окремий блок автоматизованої АГС. Забезпечено відсутність

впливу основної завади – вертикального прискорення ЛА. Тому нехтуємо

складовою h у рівнянні руху автоматизованої АГС із СГ (3). Розраховано

основні параметри нового СГ та визначено його основні характеристики.

У розділі 3 розроблено структурну схему перетворення сигналу g у

новому СГ та визначено його передатну функцію WСГ :

1308.00.05

052.1

12 222)(

pppTpT

KpW

.

(11)

Проведено аналіз методичних похибок автоматизованої АГС із СГ та

визначено їх максимальні припустимі значення для кінцевої точності

визначення Δg 1 мГал (табл. 1).

Таблиця 1

Максимальні значення похибок вимірювання досліджуваних

параметрів автоматизованою АГС із новим СГ

№

п/п Похибки вимірювання

Величина

похибки

1 Шляхова швидкість v, м/с 0,05

2 Курс k, кут. хв. 1,43

3 Географічна широта φ, кут. хв. 0,5

4 Висота h, м 3.3

5 Вертикальна швидкість h , м/с 0,5·102

6 Шлях s, м 1,5

7 Похибка виставлення осі чутливості, кут.хв. 5

Визначено склад і структуру похибок нового СГ автоматизованої

АГС, розглянуто та розраховано основні із них. Інструментальні похибки

одноканального СГ не перевищують 0,1 мГал. У новому двоканальному

СГ вони скасовується, як показано вище. Похибки, викликані шумами

різного походження (зміщенням нуль-пункту, змінами атмосферного

тиску та інші) можна ліквідувати підбором конструктивних параметрів

СГ та використанням двоканальної схеми СГ.

12

У розділі 4 проведено цифрове моделювання роботи СГ

автоматизованої АГС у середовищі MATLAB.

Отримано графіки зміни вихідного сигналу СГ для різних значень

частоти ω збурень, коефіцієнта демпфування та амплітуд збурюючих

віброприскорень. У результаті проведеного аналізу цифрового

моделювання встановлено, що:

- при частоті збурень = 0 = 0,1 рад/с виникає головний резонанс,

найбільш небезпечний для СГ, який зникає при = 0,705;

- при частотах = /2= 0,05 рад/с , = /3 = 0,033 рад/с вихідний

сигнал не спотворюється (встановлюються субгармонійні коливання, які

зникають при = 0,705);

- при частотах = 20 = 0,2 рад/с, = 30 = 0,3 рад/с та ≤ 0,45

вихідний сигнал не спотворюється (встановлюється биття), яке зникає при

= 0,705 ;

- збільшення амплітуд горизонтальних прискорень не впливає на

амплітуду вимушених коливань СГ.

Цифровим моделюванням впливу на СГ параметрів збурень

підтверджено основну перевагу СГ над відомими гравіметрами – його

вищу точність (1 мГал).

Розглянуто можливості використання нейромережевого підходу у

задачах розробки алгоритмів функціонування і комплексування

автоматизованої АГС із новим СГ. Проаналізовано функціонування

автоматизованої АГС з нейронними мережами у режимі підготовчого етапу

та у режимі льоту ЛА. Встановлено, що використання нейромережі

зменшує вплив інструментальних похибок СГ.

Для компенсації похибок вимірювання Δg СГ та горизонтальних

акселерометрів додатково введено блок нейронної мережі (рис. 3). До його

входів підключені виходи горизонтальних акселерометрів та вихід СГ.

Виходи блоку нейронної мережі підключені до входів БЦОМ.

Блок нейронної мережі виконує компенсацію інструментальних

похибок гравіметра та двох горизонтальних акселерометрів ГСП, цим

забезпечується суттєве підвищення точності вимірювань.

АГС для вимірювань Δg містить СГ 1, два горизонтальні

акселерометри 2,3, вимірювач 4 висоти та БЦОМ 5 та блок 6 нейронної

мережі. СГ 1 і горизонтальні акселерометри 2, 3 встановлені на ГСП. Вихід

вимірювача 4 висоти підключений до входу БЦОМ 5. До входів блока 6

нейронної мережі підключено виходи СГ 1 та горизонтальних

акселерометрів 2, 3. Виходи блока 6 нейронної мережі підключені до

входів БЦОМ 5.

13

Гравіметр Az

Горизонтальний

акселерометр Ax

Горизонтальний

акселерометр Ay

Гіростабілізована

платформа (ГСП)

Бортова цифрова

обчислювальна машина

(БЦОМ)

Вимірювач висоти

Блок нейронної мережі

1

2

3

4

fz

fx

fy

5

6

fz*

fx*

fy*

Рис. 3. Автоматизована АГС з компенсацією похибок вимірювання

аномалій прискорення сили тяжіння блоком нейронної мережі

У розділі 5 розроблено лабораторну установку (рис. 4) для

досліджень СГ та сформульовано основні положення методики

проведення експериментальних досліджень СГ.

Рис. 4. Установка для експериментальних досліджень нового СГ

Отримано залежності амплітуди вихідної напруги нового СГ від

частоти коливань вібростенда. Встановлено: амплітуда вихідної напруги

нового СГ буде максимальною при значеннях частоти коливань

вібростенду, рівній частоті власних коливань СГ. Зі збільшенням частоти

коливань вібростенда вихідна напруга СГ зменшується.

Побудовано калібрувальну характеристику нового СГ. Встановлено,

що кут відхилення вимірювальної осі нового СГ відносно вертикального

14

положення впливає прямо пропорційно на його вихідні покази та

величину його похибки.

Експериментально встановлено, що:

− при нульових установках вібростенду вихідний сигнал нового СГ із

високим ступенем точності співпадає із довідниковим значенням g для

місця спостереження (систематична похибка g = 0,00006 мГал);

− для поступальних вібрацій вібростенду до 10 рад/с СГ забезпечує

точність вимірювань 1 мГал;

− у найнесприятливіших резонансних умовах, ω=ω0=0,1 рад/с, ω=2ω0, ω=3ω0, ω=ω0/2, ω=ω0/3 СГ забезпечує точність вимірювань 1 мГал;

− результати експериментальних досліджень співпадають із

результатами аналогічних розрахунків та цифрового моделювання, що

свідчить про достовірність та обґрунтованість отриманих результатів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено важливу і складну науково-технічну задачу

підвищення точності та швидкодії вимірювань g шляхом використання

нового СГ автоматизованої АГС. Досягнуто наступні нові результати:

1. Уперше розроблено та досліджено новий СГ автоматизованої АГС

більшої точності (1 мГал) від відомих гравіметрів (2 – 10 мГал);

2. Розроблено схему нового СГ АГС, що забезпечує підвищення

точності вимірювання g у 2 рази та розроблено його математичну модель;

3. Запропоновано нову автоматизовану АГС із струнним гравіметром,

яка забезпечує вищі точність (у 2 рази) та швидкодію (у 10 разів)

вимірювання аномалій прискорення сили тяжіння, аніж відомі системи та

відрізняється від них тим, що у її корисному сигналі відсутнє значення

основної завади вертикального прискорення;

4. Ідентифіковано та досліджено основні похибки струнного

гравіметра, для кожного виду похибок запропоновано заходи по їх

зменшенню;

5. Уперше вирішено проблему фільтрації вихідного сигналу

струнного гравіметра автоматизованої АГС шляхом встановлення частоти

власних коливань струнного гравіметра рівній частоті перетину

спектральних щільностей корисного сигналу прискорення сили тяжіння та

сигналу основної завади вертикального прискорення ЛА;

6. Уперше запропоновано для забезпечення лінійності вихідної

характеристики СГ використовувати тензочутливий матеріал струни;

7. Проведено цифрове моделювання на ЕОМ найбільш небезпечних

резонансних режимів нового струнного гравіметра: ω=ω0, ω=2ω0, ω=3ω0,

ω=ω0/2, ω=ω0/3. Встановлено, що найбільш небезпечним є тільки випадок

ω=ω0 – випадок «головного резонансу». Резонанс зникає при = 0,705;

15

8. Обґрунтовано доцільність використання нейронних мереж для

зменшення інструментальних похибок нового СГ автоматизованої АГС;

9. Розроблено нові алгоритм та методику досліджень g та Δg

струнним гравіметром автоматизованої АГС;

10. Створено нову лабораторну установку та уперше проведено на ній

експериментальні дослідження нового струнного гравіметра;

11. Підтверджено точність вимірювань струнного гравіметра 1 мГал

збіжністю результатів аналітичних розрахунків, експериментальних

досліджень та результатів моделювання на ЕОМ (у найбільш небезпечних,

з точки зору можливості виникнення резонансу).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Безвесільна, О.М. Струнний гравіметр авіаційної гравіметричної

системи [Текст]: монографія / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк. – Житомир:

ЖДТУ, 2015. – 208 с.

Здобувачем викладено основні фундаментальні теоретичні та

практичні дослідження нового СГ автоматизованої АГС, що

використовується при вимірюваннях гравітаційних аномалій; відомості

про практичне застосування СГ; нові напрямки у галузі розробки та

удосконалення СГ.

2. Безвесільна, О.М. Оптимізація, ідентифікація, алгоритмічна

обробка параметрів чутливих елементів стабілізатора легкої броньованої

техніки [Текст]: монографія / О.М. Безвесільна, Маляров С.П., Цірук В.Г., Л.О. Чепюк. – Житомир: ЖДТУ, 2015. – 217 с.

Здобувачем проведено моделювання динамічних збурень, що діють на

чутливі елементи стабілізатора в процесі ідентифікації та викладена

методика обробки на ЕОМ результатів експериментів по дослідженню

похибок вимірювача кутів.

3. Безвесільна, О.М. Розрахунок елементів струнного гравіметра

авіаційної гравіметричної системи [Текст] / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк //

Вісник Інженерної академії України. – 2012. – №3-4. С. 14-17.

Здобувачем виконано розрахунок елементів струнного гравіметра

авіаційної гравіметричної системи.

4. Безвесільна, О.М. Розрахунок елементів чутливої системи

струнного гравіметра авіаційної гравіметричної системи [Текст] / О.М.

Безвесільна, Л.О. Чепюк // Вісник Інженерної академії України. – 2013. –

№2. С. 22-25.

16

Здобувачем виконано розрахунок елементів чутливої системи

струнного гравіметра авіаційної гравіметричної системи.

5. Безвесільна, О.М. Струнний гравіметр авіаційної гравіметричної

системи [Текст] / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк// Вісник Інженерної

академії України. – 2013. – № 2. – С. 26–30.

Здобувачем виконано порівняння характеристик існуючих гравіметрів

авіаційної гравіметричної системи та вибрано струнній гравіметр в

якості чутливого елемента системи.

6. Безвесільна, О.М. Визначення похибки вимірювання струнного

гравіметра авіаційної гравіметричної системи [Текст] / О.М. Безвесільна,

Л.О. Чепюк// Вісник Інженерної академії України. – 2014. – № 2. – С. 223-

228.

Здобувачем виконано визначення похибки вимірювання струнного

гравіметра авіаційної гравіметричної системи.

7. Безвесільна, О.М. Магнітоелектричний перетворювач струнного

гравіметра авіаційної гравіметричної системи [Текст] / О.М. Безвесільна,

Л.О. Чепюк// Вісник Інженерної академії України. – 2014. – № 2. – С. 11–

15.

Здобувачем виконано розрахунок магнітоелектричного

перетворювача струнного гравіметра авіаційної гравіметричної системи.

8. Безвесільна, О.М. Моделювання впливу параметрів збурень на

роботу гравіметра АГС [Текст] / О.М. Безвесільна, А.А. Горбачов, К.С.

Козько, Л.О. Чепюк// Вісник Інженерної академії України. – 2013. – № 3-4

– С. 16–22.

Здобувачем проведено моделювання впливу параметрів збурень на

роботу гравіметра авіаційної гравіметричної системи.

9. Безвесільна, О.М. Аналіз основних типів гравіметрів АГС [Текст] /

О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. – 2013. –

№3(66). – С. 52-61.

Здобувачем розглянуто основні типи гравіметрів АГС та надано

оцінку їх переваг та недоліків

10. Безвесільна, О.М. Конструкція та рівняння руху струнного

гравіметра авіаційної гравіметричної системи [Текст] / О.М. Безвесільна,

Л.О. Чепюк // Вісник Інженерної академії України. – 2014. – №1. С. 24-28.

Здобувачем розроблено конструкцію та рівняння руху струнного

гравіметра авіаційної гравіметричної системи.

11. Безвесільна, О.М. Дослідження впливу кутової швидкості

обертання Землі на роботу навігаційних елементів гіростабілізатора [Текст]

/ О.М. Безвесільна, В.Г. Цірук, Чепюк // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. –

2014. – №4 (63). – С. 61–65.

Здобувачем виконано дослідження впливу кутової швидкості

обертання Землі на роботу навігаційних елементів гіростабілізатора.

17

12. Безвесільна, О.М. Сучасні гравіметри авіаційної гравіметричної

системи [Текст] / О.М. Безвесільна, В.Г. К.С. Козько, А.Г. Ткачук//

Геофизический журнал. – 2015. – №2 (Т37). – С. 86–94. (Міжнародне

видання, SciVerse, Scopus)

Здобувачем розглянуто основні типи гравіметрів АГС.

13. Bezvesilnaya, E. N. Angle measurement device for posting the

sensitivity axis of aviation gravimeter [Text] / E.N. Bezvesilnaya, A.A.

Ostapchuk, А.G. Tkachuk, L.O. Chepyuk // The advanced science journal

(China). – 2013. – №2. – P. 31–37. (Іноземне видання).

Здобувачем запропоновано лазерний вимірювач кутів для виставлення

осі чутливості авіаційного гравіметра.

14. Bezvesilnaya, E. N. Electromechanical gravimeter [Text] / E.N.

Bezvesilnaya, A.A. Ostapchuk, А.G. Tkachuk, L.O. Chepyuk // The advanced

science journal (China). – 2014. – №7. – P. 45–48. (Іноземне видання).

Здобувачем розглянуто електромеханічний гравіметр в якості

чутливого елемента авіаційної гравіметричної системи.

15. Bezvesilnaya, E. N. Research of Earth rotation speed influence on angle

measurement error [Text] / E.N. Bezvesilnaya, A.A. Ostapchuk, J.V. Kirichuk,

L.O. Chepyuk // European Applied Sciences (Germany). – 2014. – №3. – P.

100–102. (Іноземне видання).

Здобувачем розглянуто вплив обертання Землі на похибку

вимірювання кутів.

16. Bezvesilnaya, E. N. Automated angle measurement instrument

calibration method for preliminary ground setup of navigation elements [Text] /

E.N. Bezvesilnaya, A.A. Ostapchuk, J.V. Kirichuk, L.O. Chepyuk // The

advanced science journal (China). – 2014. – №8. – P. 225–230. (Іноземне

видання).

Здобувачем запропоновано метод калібрування лазерного вимірювача

кутів.

17. Патент на винахід 109746, Україна, МПК G01V 7/06 (2006.01).

Авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій прискорення

сили тяжіння / Безвесільна О.М., Ткачук А. Г., Л.О. Чепюк. – № а 2014

08137; заяв. 18.07.2014; опубл. 12.01.2015, Бюл. № 1.

Здобувачем надано схему авіаційної гравіметричної системи для

вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння, викладено принцип її дії.

18. Заявка на винахід № а 2014 08598, Україна, МПК G01V 7/06

(2006.01). Авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій

прискорення сили тяжіння / Безвесільна О.М., Ткачук А. Г., Л.О. Чепюк. –;

заяв. 28.07.2014; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 23.

Здобувачем надано схему авіаційної гравіметричної системи для

вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння, викладено принцип її дії.

18

19. Заявка на винахід, № а 2014 13780, Україна, МПК G01V 7/06.

Струнний гравіметр авіаційної гравіметричної системи / Безвесільна О.М.,

Ткачук А. Г., Л.О. Чепюк. заяв. 22.12.2014; опубл. 27.04.2015, Бюл. № 8.

Здобувачем надано схему гравіметра, викладено принцип його дії.

20. Чепюк, Л.О. Струнний гравіметр авіаційної гравіметричної

системи [Текст] / Л.О. Чепюк // Журнал “Технологічний аудит та резерви

виробництва”: матеріали НПК “Наукові підсумки 2012 р.”– 2012. –

№6/4(8). – С. 23–24.

Здобувачем обґрунтовано необхідність застосування струнного

гравіметра в авіаційній гравіметричної системи, розглянуто його

переваги.

21. Безвесільна, О.М. Розрахунок магнітоелектричного перетворювача

струнного гравіметра авіаційної гравіметричної системи [Текст] / О.М.

Безвесільна, Л.О. Чепюк // Перша наук.-практ. конференція студентів,

аспірантів та молодих вчених “Сучасні тенденції розвитку

приладобудування”: тези допов. – Луганськ, 2012. – С. 316-317.

Здобувачем описано порядок розрахунку магнітоелектричного

перетворювача струнного гравіметра авіаційної гравіметричної системи.

22. Безвесільна, О.М. Визначення ціни розподілу струнного гравіметра

авіаційної гравіметричної системи [Текст] / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк //

6 МНТК “Інтегровані інтелектуальні робото-технічні комплекси (ІІРТК-

2013)”: тези допов.– Київ, 2013. – С. 38-39.

Здобувачем проведено порівняльну характеристику існуючих на

сьогоднішній день типів авіаційних гравіметрів.

23. Безвесільна, О. М. Моделювання впливу параметрів збурень на

роботу струнного гравіметра [Текст] / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк // 2

МНТК “Сучасні інформаційні системи та технології (AIST-2013)”: тези

допов.– Суми, 2013. – С. 21-22.

Здобувачем наведені результати моделювання впливу параметрів

збурень на роботу струнного гравіметра.

24. Безвесільна, О.М. Визначення параметрів чутливої системи

струнних перетворювачів [Текст] / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк // НПК

on-line конференція присвячена Дню науки: тези допов.– Житомир, 2013. –

С. 136-137.

Здобувачем розглянуто визначення параметрів чутливої системи

струнних перетворювачів.

25. Безвесільна, О.М. [Текст] / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк // VI НПК

студентів та аспірантів “Погляд у майбутнє Приладобудування” : тези

допов. – Київ, 2013. – С.110.

Здобувачем запропоновано новий спосіб підвищення точності

вимірювання прискорення сили тяжіння за рахунок використання нового

гравіметра.

19

26. Безвесільна, О.М. Вплив вертикальних і горизонтальних

збурюючих прискорень на похибку вимірювання струнного гравіметра

авіаційної гравіметричної системи [Текст] / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк //

7 МНТК “Інтегровані інтелектуальні робототехнічні комплекси (ІІРТК-

2014)”: тези допов.– Київ, 2014. – С. 60-61.

Здобувачем проведено аналіз впливу вертикальних і горизонтальних

збурюючих прискорень на похибку вимірювання струнного гравіметра

авіаційної гравіметричної системи.

27. Безвесільна, О. М. Аналіз похибок струнного гравіметра [Текст] /

О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк // 7 МНТК " Інформаційно-комп’ютерні

технології 2014" : тези допов. – Житомир, 2014. – С. 74-75.

Здобувачем проведено аналіз похибок струнного гравіметра.

28. Безвесільна, О.М. Визначення інструментальної похибки

струнного гравіметра [Текст]/ О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк //

Всеукраїнська НПК online присвячена Дню науки: тези допов. – Житомир,

2014. – С. 238-239.

Здобувачем проведено визначення інструментальної похибки

струнного гравіметра.

29. Безвесильная, Е.Н. Авиационный струнный гравиметр [Текст] /

Е.Н. Безвесильная, Л.А. Чепюк // “Передовые научные разработки – 2014”.–

Прага (Чехия), 2014. – С. 33-35.

Здобувачем описано авіаційний струнний гравіметр для вимірювань

аномалій прискорення сили тяжіння.

30. Bezvesilnaya, E. N. Vibrating-string accelerometer for robotics

complexes on air – and spacecraft [Текст] / E. N. Bezvesilnaya, A.D. Nalyvaiko

L.O. Chepyuk // THE 6-TH WORLD CONGRESS “ AVIATION IN THE XXI-

st CTNTURY” “Safety in Aviation and Space Technologies”. – 2014. – V1. –

p.1.10.1-1.10.4.

Здобувачем розглянуто використання струнного акселерометра в

роботозованих авіаційних і космічних комплексах.

31. Безвесільна, О.М. Експериментальні дослідження градуювання

акселерометра [Текст] / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк // Conduct of modern

science. Technical sciences Sheffield. Science and education LTD. – 2014. –

V24. – p.18-22.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження градуювання

струнного акселерометра.

32. Безвесільна, О.М. Спосіб компенсації похибок вимірювання

аномалій прискорення сили тяжіння авіаційної гравіметричної системи

[Текст] / О.М. Безвесільна, К.С. Козько, Л.О. Чепюк // 8 Міжнародна

науково-практична конференція «Інтегровані інтелектуальні робото

технічні комплекси (ІРТК-2015): тези допов. – Київ, 2015. – С. 143-145.

20

Здобувачем наведено спосіб компенсації похибок вимірювання

аномалій прискорення сили тяжіння авіаційної гравіметричної системи.

33. Безвесільна, О.М. Спеціалізована комп’ютерна авіаційна

гравіметрична система зі струнним гравіметром [Текст] / О.М. Безвесільна,

К.С. Козько, Л.О. Чепюк // V МНТК Сучасні інформаційні технології: тези

допов. – Одеса, 2015. – С. 173-171.

Здобувачем наведено структуру спеціалізованої комп’ютерної

авіаційної гравіметричної системи зі струнним гравіметром.

34. Безвесільна, О.М. Обробка даних вимірювання аномалій

прискорення сили тяжіння авіаційної гравіметричної системи [Текст] /

О.М. Безвесільна, К.С. Козько, Л.О. Чепюк // 8 Міжнародна науково-

практична конференція «Інтегровані інтелектуальні робото технічні

комплекси (ІРТК-2015): тези допов. – Київ, 2015. – С. 141-142.

Здобувачем розглянуто обробку даних вимірювання аномалій

прискорення сили тяжіння авіаційної гравіметричної системи.

35. Безвесільна, О.М. Забезпечення лінійної характеристики струнного

гравіметра [Текст] / О.М. Безвесільна, Л.О. Чепюк // НПК on-line

конференція “Технічні науки на сучасному етапі” присвячена Дню науки:

тези допов.– Житомир, 2015. – С. 62-63.

Здобувачем розглянуто спосіб забезпечення лінійної характеристики

струнного гравіметра.

36. Безвесільна, О.М. Авіаційна гравіметрична система з використання

нейронної мережі [Текст] / О.М. Безвесільна, А.Г. Ткачук, Л.О. Чепюк //

НТК конференція “ Комп’ютерні технології: інновації, проблеми, рішення

2015”: тези допов.– Житомир, 2015. – С. 55-56.

Здобувачем розглянуто визначення параметрів чутливої системи

струнних перетворювачів.

АНОТАЦІЯ

ЧЕПЮК Л.О. Струнний гравіметр автоматизованої авіаційної

гравіметричної системи. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за

спеціальністю 05.11.01 Прилади та методи вимірювань механічних

величин. − Національний технічний університет України “Київський

політехнічний інститут”, Київ, 2015.

У дисертації досліджено новий струнний гравіметр автоматизованої

авіаційної гравіметричної системи (АГС), розроблено його конструктивну

схему, складено його математичну модель, розглянуто основні джерела

похибок та запропоновано шляхи їх зменшення. Отримано патент України

на винахід.

Вирішено проблему фільтрації вихідного сигналу струнного гравіметра

від найбільшої із завад – вертикального прискорення літака, шляхом

встановлення частоти його власних коливань, рівній частоті перетину

21

спектральних щільностей корисного сигналу прискорення сили тяжіння та

сигналу основної завади вертикального прискорення літального апарату.

Запропоновано для забезпечення лінійності вихідної характеристики

струнного гравіметра використовувати в якості матеріалу струни

тензочутливий матеріал.

Проведено цифрове моделювання на ЕОМ найбільш небезпечних

резонансних режимів нового струнного гравіметра. Обґрунтовано

доцільність використання нейромережевого підходу у задачах розробки

алгоритмів функціонування і комплексування автоматизованої АГС із

новим струнним гравіметром із метою зменшення інструментальних

похибок гравіметра.

Створено експериментальну установку, на якій досліджено новий

струнний гравіметр.

Новий струнний гравіметр суттєво підвищує точність вимірювання

прискорення сили тяжіння (1 мГал) порівняно з відомими

неавтоматизованими гравіметрами (2-10 мГал) та швидкодію у 10 разів.

Ключові слова: струнний гравіметр, прискорення сили тяжіння,

авіаційна гравіметрична система.

АННОТАЦИЯ

ЧЕПЮК Л.А. Струнный гравиметр автоматизированной

авиационной гравиметрической системы. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических

наук по специальности 05.11.01 – Приборы и методы измерения

механических величин. − Национальный технический университет

Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2015.

В диссертации исследовано новый струнный гравиметр (СГ)

автоматизированной авиационной гравиметрической системы (АГС),

который имеет большую точность (1мГал) и быстродействие (полностью

автоматизирован) по сравнению с известными гравиметрами АГС (2-10

мГал). Особенности конструкции струнного гравиметра позволяют

использовать его одновременно и в качестве чувствительного элемента

автоматизированной АГС, и в качестве фильтра нижних частот. Данный

подход позволяет устранить в выходном сигнале гравиметра вертикальное

ускорение и другие возмущения, частота которых выше 0,1 рад/с. Это

избавляет от необходимости дополнительного использования фильтра

нижних частот как отдельного компонента АГС.

Разработано конструктивную схему струнного гравиметра и указано ее

особенности. Описано принцип действия струнного гравиметра и

составлено его математическую модель.

Рассчитаны параметры нового струнного гравиметра и определены его

основные характеристики.

Определен передаточный коэффициент нового струнного гравиметра.

22

Проведен анализ методических погрешностей автоматизированной

АГС со струнным гравиметром и определены их максимальные значения.

Определены состав и структура погрешностей нового струнного

гравиметра автоматизированной АГС, рассчитаны основные из них.

Инструментальные погрешности измерения ликвидируются благодаря

использованию принципа двухканальности и аппарата искусственных

нейронных сетей, а погрешности, вызванные способом крепления, шумами

различного происхождения, изменениями атмосферного давления, можно

ликвидировать с помощью конструктивных особенностей СГ и

использования принципа двухканальности.

Впервые предложено для обеспечения линейности выходной

характеристики струнного гравиметра использовать в качестве материала

струны тензочувствительный материл.

Проведено цифровое моделирование работы струнного гравиметра

автоматизированной АГС. Установлено, что амплитуды вынужденных

колебаний СГ наибольшие, когда частота собственных колебаний

струнного гравиметра равна частоте возмущающего воздействия.

Цифровым моделированием подтверждено основное преимущество СГ

перед известными авиационными гравиметрами его более высокая

точность (1 мГал) по сравнению с известными (2-10 мГал).

Обосновано целесообразность использования нейросетевого подхода в

задачах разработки алгоритмов функционирования АГС с новым струнным

гравиметром. Установлено, что использование нейросети устраняет

влияние инструментальных погрешностей струнного гравиметра на

выходной сигнал автоматизированной АГС.

Разработано лабораторную установку и сформулировано основные

положения методики проведения экспериментальных исследований СГ.

Проведено соответствующие экспериментальные исследования, результаты

которых совпали с результатами аналитических расчетов и цифрового

моделирования.

Определены основные метрологические характеристики струнного

гравиметра.

Новый струнный гравиметр существенно повышает точность (в 2 раза)

и быстродействие (в 10 раз) измерений ускорения силы тяжести.

Обеспечивает измерения, регистрацию и обработку данных в процессе

полета самолета.

Ключевые слова: струнный гравиметр, ускорение силы тяжести,

авиационная гравиметрическая система.

23

ABSTRACT

CHEPIUK L.O. Vibrating-string gravimeter of automated aviation

gravimetric system. – Manuscript.

Thesis for Ph.D. degree on a speciality 05.11.01 Devices and measurement

techniques of mechanical quantities. − National Technical University of Ukraine

“Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2015.

The new vibrating-string gravimeter of automated aviation gravimetric

system (AGS) is researched in the thesis, its constructive scheme is developed,

its mathematical model is made, the basic errors sources of vibrating-string

gravimeter are researched and the ways to reduce them are proposed. The patent

of Ukraine for an invention is obtained.

The problem of filtering the output vibrating-string gravimeter signal from

the biggest of hindrances the vertical aircraft acceleration, by setting its own

oscillation frequency equal to the frequency of crossing spectral densities of the

desired signal gravitational acceleration and signal interference basic vertical

aircraft acceleration is resolved.

It was offered for the first time to provide the linearity of the string

gravimeter output characteristic to use the strain-gauge matter as the material

strings.

A digital computer simulation of the most dangerous resonant modes of the

new vibrating-string gravimeter is done. The possibilities of using neural

networks algorithms for the problems of development and operation of

automated ACS with the new vibrating-string gravimeter in order to reduce

instrumental errors of gravimeter are considered.

An experimental setting in which the new vibrating-string gravimeter is

researched are done.

New vibrating-string gravimeter significantly increases measurements

accuracy of the gravity force acceleration (1 mGal) compared with known

manual gravimeters (2-10 mGal) and performance in 10 times.

Keywords: vibrating-string gravimeter, gravity, aviation gravimetric system.