ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-1-138-146ntv-289Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONИсследование эффективности работы системы коррекции магнитного компасаA study of the efficiency of the magnetic compass correction systemhttps://orcid.org/0000-0003-3562-6815ГрязинД. Г.GryazinD. G.

Грязин Дмитрий Геннадиевич — доктор технических наук, профессор, главный метролог – начальник отдела; профессор

sc 25638150600

Санкт-Петербург, 197046

Санкт-Петербург, 197101

Dmitriy G. Gryazin — D.Sc., Professor, Chief Metrologist, Head of the Department; Professor

sc 25638150600

Saint Petersburg, 197046

Saint Petersburg, 197101

volnagdg@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5293-6351ПадеринаТ. В.PaderinaT. V.

Падерина Татьяна Владимировна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник; доцент

sc 8602442700

Санкт-Петербург, 197046

Санкт-Петербург, 197101

Tatiana V. Paderina — PhD, Senior Researcher; Associate Professor

sc 8602442700

Saint Petersburg, 197046

Saint Petersburg, 197101

paderinata@gmail.comАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»; Университет ИТМОРоссияConcern CSRI Elektropribor, JSC; ITMO UniversityRussian Federation202217122024221138146Copyright © Грязин Д.Г., Падерина Т.В., 20242024Грязин Д.Г., Падерина Т.В.Gryazin D.G., Paderina T.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/289

Предмет исследования. В условиях плавания судна при воздействии качки появляются динамические погрешности компаса, обусловленные влиянием перераспределенных магнитных масс судна, а также воздействием центростремительного и тангенциального ускорений. Влияние этих погрешностей может быть скомпенсировано введением в измерительную схему компаса системы коррекции, в которой используется один гироскопический датчик угловой скорости. Метод. Метод коррекции основан на применении в схеме гироскопического датчика угловой скорости с вертикально расположенной осью чувствительности. Формируемый сигнал представляет собой разность выходного показания магнитного компаса и проинтегрированного сигнала датчика угловой скорости, который не чувствителен к действию переносного ускорения и перераспределенных магнитных масс при крене судна. Полученная разность будет содержать погрешность компаса от воздействия качки, которая в дальнейшем компенсируется в выходном сигнале компаса. Выбор параметров динамических звеньев схемы для реализации системы коррекции и исследования ее работы выполнен методом имитационного моделирования с использованием предложенного аналитического выражения для погрешности магнитного компаса от воздействия качки. Выполнено сравнение результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований компаса, проведенных с использованием специализированного стенда, который имитирует рыскание судна и позволяет изменять значение вектора напряженности магнитного поля Земли при воздействии на магнитную систему компаса. Основные результаты. Экспериментальные исследования компаса показали, что коэффициент коррекции погрешности от качки при изменении периодов угловых колебаний объекта от 6 до 28 с, который характеризует степень подавления качки, находится в диапазоне 0,16–0,48 (среднее значение 0,35), а при проведении моделирования среднее значение коэффициента — 0,21. Заниженная оценка коэффициента коррекции при моделировании обусловлена отсутствием учета динамических свойств картушки компаса и зависит от соотношения периодов собственных колебаний картушки и периодов возмущающих воздействий. Практическая значимость. Полученные результаты подтвердили высокую эффективность рассматриваемой системы коррекции компаса, а также требуемое качество разработанного специализированного стенда для оценки его работы. Результаты исследования могут найти применение при разработке современных магнитных компасов, для обеспечения высокой точности указания курса за счет использования предлагаемой системы коррекции.

In sailing conditions under the rolling, dynamic compass errors may appear due to the influence of the redistributed magnetic masses of the ship, as well as of centripetal and tangential accelerations. The influence of these errors can be compensated by introducing a correction system into the measuring circuit of the compass, which uses one gyroscopic angular rate sensor. The correction method is based on the use of a gyroscopic angular rate sensor with a vertical axis of sensitivity in the circuit. The generated signal is the difference between the output reading of the magnetic compass and the integrated signal of the angular rate sensor, which is insensitive to the action of translational acceleration and redistributed magnetic masses during the ship’s heel. The resulting difference will contain the compass error from the rolling effect, further compensated for in the compass output signal. The choice of the parameters of the dynamic links of the circuit for the implementation of the correction system and the study of its operation was carried out by simulation method using the proposed analytical expression for the error of the magnetic compass from the rolling effect. Comparison of the simulation results with the results of experimental studies of the compass was carried out using a specialized stand that simulates the yaw of a ship and allows one to change the value of the vector of the Earth’s magnetic field, when exposed to the magnetic system of the compass. Experimental studies of the compass showed that the pitching error correction coefficient is in the range 0.16-0.48 (average value is 0.35), when the object’s angular oscillation periods change from 6 to 28 s, which characterizes the degree of pitching suppression, and when modeling, the average value of the coefficient is 0.21. The underestimation of the correction factor in modeling is due to the lack of taking into account the dynamic properties of the compass rose and depends on the ratio of the periods of natural oscillations of the compass and the periods of disturbing influences. The results confirmed the high efficiency of the considered compass correction system and the required quality of the developed specialized stand for evaluating its work. The results of the study can be used in the development of modern magnetic compasses to ensure high accuracy of directional guidance through the use of the proposed correction system.

магнитный компаскачка суднасистема коррекциигироскопический датчик угловой скоростиmagnetic compassship pitchingcompass correction systemgyroscopic angular rate sensorРабота выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-08-00265. Авторы выражают благодарность сотрудникам АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» К.С. Гороховскому и И.В. Сергачёву, участвовавшим в разработке стенда рыскания и проведении исследования характеристик системы коррекции магнитного компаса на этом стенде.This work was supported by the RFBR grant No. 20-08-00265. The authors express their gratitude to the employees of State Research Center of the Russian Federation Concern CSRI Elektropribor, JSC, K.S. Gorokhovsky and I.V. Sergachev, who participated in the development of the yaw stand and the study of the characteristics of the magnetic compass correction system on this stand.ReferencesКардашинский-Брауде Л.А. Девиация магнитных компасов. Л.: ЦНИИ «Румб», 1986. 81 c.Kardashinskii-Braude L.A. Deviations of Magnetic Compasses. Leningrad, CNII Rumb, 1986, 81 p. (in Russian)Воронов В.В., Кардашинский-Брауде Л.А. Универсальный широтный компенсатор девиации магнитного компаса // Навигация и гироскопия. 1990. № 2.Voronov V.V., Kardashinskii-Braude L.A. Universal latitude compensator for magnetic compass deviation. Navigation and Gyroscopy, 1990, no. 2. (in Russian)Arribalzaga J., Martinez A.T., Vila J.A. Analysis and calculation of the magnetic moment of a magnet compensation for type A magnetic needle // Journal of Maritime Research. 2013. V. 10. N 2. P. 80–81.Arribalzaga J., Martinez A.T., Vila J.A. Analysis and calculation of the magnetic moment of a magnet compensation for type A magnetic needle. Journal of Maritime Research, 2013, vol. 10, no. 2, pp. 80–81.Androjna A., Belev B., Pavic I., Perkovič M. Determining residual deviation and analysis of the current use of the magnetic compass // Journal of Marine Science and Engineering. 2021. V. 9. N 2. P. 1–15. https://doi.org/10.3390/jmse9020204Androjna A., Belev B., Pavic I., Perkovič M. Determining residual deviation and analysis of the current use of the magnetic compass. Journal of Marine Science and Engineering, 2021, vol. 9, no. 2, pp. 1–15. https://doi.org/10.3390/jmse9020204Van Suong Nguyen. Calculation of the deviation coefficients for marine magnetic compass // Journal of International Maritime Safety, Environmental Affairs and Shipping. 2019. V. 2. N 2. P. 112–115. https://doi.org/10.1080/25725084.2019.1569336Van Suong Nguyen. Calculation of the deviation coefficients for marine magnetic compass. Journal of International Maritime Safety, Environmental Affairs and Shipping, 2019, vol. 2, no. 2, pp. 112–115. https://doi.org/10.1080/25725084.2019.1569336Meleshko V.V., Lakoza S.L., Sharov S.A. Method of identifying and eliminating magnetic compass deviation // Proc. of the IEEE 1st Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON 2017). 2017. P. 288–291. https://doi.org/10.1109/UKRCON.2017.8100494Meleshko V.V., Lakoza S.L., Sharov S.A. Method of identifying and eliminating magnetic compass deviation. Proc. of the IEEE 1st Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON 2017), 2017, pp. 288–291. https://doi.org/10.1109/UKRCON.2017.8100494Iribar I.B., Munoz J.A.V., Labajos C.A.P. Latitude error in compass deviation: Mathematical method to determine the latitude error in magnetic compass deviation // Polish Maritime Research. 2014. V. 21. N 3. P. 25–31. https://doi.org/10.2478/pomr-2014-0026Iribar I.B., Munoz J.A.V., Labajos C.A.P. Latitude error in compass deviation: Mathematical method to determine the latitude error in magnetic compass deviation. Polish Maritime Research, 2014, vol. 21, no. 3, pp. 25–31. https://doi.org/10.2478/pomr-2014-0026Рыбалтовский Н.Ю. Магнитно-компасное дело. Л.: Водтрансиздат, 1954. 492 c.Rybaltovskii N.Iu. Magnetic Compass. Leningrad, Vodtransizdat Publ., 1954, 492 c. (in Russian)Грязин Д.Г., Сергачёв И.В. Влияние внешних факторов на переходные процессы магнитных компасов в высоких широтах // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2020. Т. 63. № 10. С. 921–929. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-10-921-929Gryazin D.G., Sergachev I.V. Influence of external factors on transient processes of magnetic compass at high latitudes. Journal of Instrument Engineering, 2020, vol. 63, no. 10, pp. 921–929. (in Russian). https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-10-921-929Грязин Д.Г., Падерина Т.В., Сергачев И.В. О возможности использования судовых магнитных компасов в высоких широтах // Материалы XXXII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн» ЦНИИ «Электроприбор», 2020. С. 122–125.Gryazin D.G., Paderina T.V., Sergachev I.V. On the possibility of using ship’s magnetic compasses at high latitudes. Proc. of the 32nd conference in memory of N.N. Ostryakov, St. Petersburg, Concern CSRI Elektropribor, 2020, pp. 122–125. (in Russian)Грязин Д.Г., Падерина Т.В. Мехатронные устройства управления современным судовым магнитным компасом // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22. № 8. С. 425–432. https://doi.org/10.17587/mau.22.425-432Gryazin D.G., Paderina T.V. Mechatronic control devices for a modern ship’s magnetic compass. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2021, vol. 22, no. 8, pp. 425–432. (in Russian). https://doi.org/10.17587/mau.22.425-432Lushnikov E. Magnetic compass in modern maritime navigation // TransNav. International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation. 2015. V. 9. N 4. P. 539–543. https://doi.org/10.12716/1001.09.04.10Lushnikov E. Magnetic compass in modern maritime navigation. TransNav. International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, 2015, vol. 9, no. 4, pp. 539–543. https://doi.org/10.12716/1001.09.04.10Lushnikov E. The reliability of compass information at navigational safety // Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin. 2012. N 29. P. 117–121.Lushnikov E. The reliability of compass information at navigational safety. Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin, 2012, no. 29, pp. 117–121.Basterretxea-Iribal I., Sotés I., Uriarte J.I. Towards an improvement of magnetic compass accuracy and adjustment // Journal of Navigation. 2016. V. 69. N 6. P. 1325–1340. https://doi.org/10.1017/S0373463316000138Basterretxea-Iribal I., Sotés I., Uriarte J.I. Towards an improvement of magnetic compass accuracy and adjustment. Journal of Navigation, 2016, vol. 69, no. 6, pp. 1325–1340. https://doi.org/10.1017/S0373463316000138Казакова Г.Ф., Кардашинский-Брауде Л.А., Фомкин Я.И. Судовые индукционные и гидромагнитные компасы, стрелочные магнитные компасы с индукционными датчиками. Л.: НПО «Азимут», 1991. 62 с.Kazakova G.F., Kardashinskii-Braude L.A., Fomkin Ia.I. Ship Induction and Hydromagnetic Compasses, Needle Magnetic Compasses with Inductive Sensors. Leningrad, NPO “Azimut”, 1991, 62 с. (in Russian)Кардашинский-Брауде Л.А. Современные судовые магнитные компасы. СПб.: ФГУП ГНЦ РФ — ЦНИИ «Электроприбор», 1999. 137 с.Kardashinskii-Braude L.A. Modern Marine Magnetic Compasses. St. Petersburg, Concern CSRI Elektropribor, 1999, 137 p. (in Russian)Нечаев П.А., Григорьев В.В. Магнитно-компасное дело. 4-е изд. М.: Транспорт, 1983. 240 c.Nechaev P.A., Grigorev V.V. Magnetic Compass. Moscow, Transport Publ., 1983, 240 p. (in Russian)Кардашинский-Брауде Л.А. Повышение динамической устойчивости показаний судовых магнитных компасов при горизонтальных ускорениях [Электронный ресурс]. URL: http://www.navydevices.ru/informations/section-publications/publications/85-2002-09-21-13-29-52, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 23.07.2020).Kardashinskii-Braude L.A. Increasing the dynamic stability of ship’s magnetic compass readings at horizontal accelerations. Available at: http://www.navydevices.ru/informations/section-publications/publications/85-2002-09-21-13-29-52 (accessed: 23.07.2020). (in Russian)Крылов А.Н. О возмущениях показаний компасов, происходящих на качке корабля на волнении // Избранные труды академика А.Н. Крылова. М.: Изд. АН СССР, 1958. С. 115–170.Krylov A.N. On perturbations of compass readings that occur on the rolling of a ship in waves. Izbrannye trudy akademika A.N. Krylova. Moscow, Academy of Sciences of the Soviet Union, 1958, pp. 115–170. (in Russian)Зиненко В.М., Грязин Д.Г., Молочников А.А., Сергачев И.В., Матвеев Ю.В., Короленко И.В. Способ измерения магнитного курса судна в высоких широтах и устройство для его реализации. Патент RU2688900C1. Бюл. 2019. № 15.Zinenko V.M., Gryazin D.G., Molochnikov A.A., Sergachev I.V., Matveev Y.V., Korolenko I.V. Method for measuring ship magnetic course in high latitudes and device for its implementation. Patent RU2688900C1, 2019. (in Russian)Боронахин А.М., Лукомский Ю.А., Шпекторов А.Г., Ха Мань Тханг, Чан Танг Дык. Курсовертикаль для задач управления движением скоростного судна // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. № 4. С. 75–80.Boronachin A.M., Lukomski Y.A., Shpektorov A.G., Ha Manh Thang, Tran Tang Duc. Yaw-and-vertical gyro unit for high-speed marine vehicle motion control. Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University, 2012, no. 4, pp. 75–80. (in Russian)Боронахин А.М., Лукомский Ю.А., Шпекторов А.Г., Ха Мань Тханг, Чан Танг Дык. Обоснование требований к системам навигации и ориентации при решении задач управления движением подвижных объектов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. № 2. С. 77–80.Boronachin A.M., Lukomski Y.A., Shpektorov A.G., Ha Manh Thang, Tran Tang Duc. The basis of navigation system requirements for solving a problem of marine vehicles motion control. Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University, 2012, no. 2, pp. 77–80. (in Russian)Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. Магнитные компасы. М.: Транспорт, 1981. 212 с.Kozhukhov V.P., Voronov V.V., Grigorev V.V. Magnetic Compasses. Moscow, Transport Publ., 1981, 212 p. (in Russian)Бородай И.К., Мореншильдт В.А., Виленский Г.В. Прикладные задачи динамики судов на волнении. Л.: Судостроение, 1989. 258 c.Borodai I.K., Morenshildt V.A., Vilenskii G.V. Applied Problems of Ship Dynamics in Waves. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1989, 258 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.