А.О. Синельников1, А.А. Ушанов2, Н.В. Тихменев3, П.С. Романов4

1,2 Российский университет дружбы народов им. Патриса  Лумумбы  (Москва, Россия)

1–4 АО «ГосНИИП» (Москва, Россия)

1 sinelnikov-ao@rudn.ru, 2 a.a.ushanov@mail.ru, 3 nik-tikhmenev@yandex.ru, 4 romanov_p7274@mail.ru

Постановка проблемы. Кольцевые лазерные гироскопы с виброподвесом широко применяются в высокоточных инерциальных навигационных системах благодаря их высокой чувствительности и стабильности выходных параметров. Однако
эффективность механической частотной подставки, используемой для преодоления эффекта захвата частот встречных волн в резонаторе, существенно снижается под воздействием внешних вибраций. Вертикальные колебания моноблока резонатора приводят к подавлению амплитуды рабочих крутильных колебаний виброподвеса, что вызывает нелинейность выходной
характеристики кольцевого лазерного гироскопа и рост погрешности измерений.

Цель. Провести анализ влияния вертикальных колебаний резонатора на динамику и точностные характеристики кольцевого лазерного гироскопа с механической частотной подставкой, а также выявить механизмы возникновения межмодовых взаимодействий, нарушающие его функционирование.

Результаты. Методами конечно-элементного моделирования и экспериментальных исследований установлено, что резонансные вертикальные колебания моноблока резонатора на частотах выше 300 Гц могут приводить к подавлению амплитуды крутильных колебаний виброподвеса до 30% и увеличению случайной погрешности измерения угловой скорости до 4 раз. Отмечено , что спектральный анализ сигналов подтвердил наличие биений между колебательными модами, а это вызывает модуляцию амплитуды механической частотной подставки и временный выход гироскопа из рабочего режима.

Практическая значимость. Выявленные закономерности позволяют обосновать необходимость увеличения жесткости крепления моноблока резонатора для вывода паразитных мод за пределы рабочего частотного диапазона. Полученные данные могут быть использованы при оптимизации конструкции кольцевых лазерных гироскопов с виброподвесом и разработке алгоритмов цифровой компенсации вибрационных погрешностей, что критически важно для обеспечения надежности систем автономной навигации для аэрокосмической, морской и других высокотехнологичных и наукоемких отраслей.

Синельников А.О., Ушанов А.А., Тихменев Н.В., Романов П.С. Влияние вертикальных колебаний на функционирование кольцевого лазерного гироскопа // Успехи современной радиоэлектроники. 2026. T. 80. № 6. С. 36–45. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202606-03

1. Бойков В.Г., Гаганов И.В., Файзуллин Ф.Р., Юдаков А.А. Моделирование движения механической системы, состоящей из деформируемых упругих тел, путём интеграции двух пакетов: Euler и Fidesys // Чебышевский сборник. 2017. Т. 18. № 3(63). С. 131–153. DOI 10.22405/2226-8383-2017-18-3-131-153.
2. Борейшо А.С. Лазеры: применения и приложения. СПб.: Издательство «Лань». 2022.
3. Гаврилов А.В., Тихменев Н.В., Фимкин А.А., Синельников А.О. Анализ крутильных колебаний лазерного гироскопа на виброподвесе с использованием программного комплекса «Луч» // Естественные и технические науки. 2024. № 3 (190). С. 186–189. DOI: 10.25633/ETN.2024.03.18.
4. Кузнецов А.Г., Молчанов А.В., Чиркин М.В., Измайлов Е.А. Прецизионный лазерный гироскоп для автономной инерциальной навигации // Квантовая электроника. 2015. Т. 45. № 1. С. 78–88.
5. Лукьянов Д.П., Распопов В.Я., Филатов Ю.В. Прикладная теория гироскопов, СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2015.
6. Пешехонов В.Г. Высокоточная навигация без использования информации глобальных навигационных спутниковых систем // Гироскопия и навигация. 2022. Т. 30. № 1 (116). С. 3–11. DOI: 10.17285/0869-7035.0084.
7. Синельников А.О., Запотылько Н.Р., Зубарев Я.А., Катков А.А. Особенности применения ситалла СО-115М при изготовлении оптических деталей кольцевых He-Ne лазеров // Стекло и керамика. 2023. Т. 96. № 5(1145). С. 3–13. DOI 10.14489/glc.2023.05.pp.003-013.
8. Синельников А.О., Тихменев Н.В., Ушанов А.А. Медведев В.М. Современное состояние и тенденции развития инерциальных навигационных систем на кольцевых лазерных гироскопах // Фотоника. 2024. Т. 18. № 6. С. 450–466. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.6.450.466.
9. Тихменев Н.В., Назаров С.И., Ушанов А.А., Синельников А.О. Исследование функционирования кольцевого лазерного гироскопа при вибрационных воздействиях // Управление большими системами. 2024. Вып. 109. С. 293–309. М.: ИПУ РАН. DOI: 10.25728/ubs.2024.109.13.
10. Aronovitz F. Fundamentals of the ring laser gyro. Optical Gyros and their Application, RTO AGARDograph 339, 3-1-3-45 (1999).
11. Choi W.S., Shim K.M., Chong K.H., An J.E., Kim, C.J., Park B.Y. Sagnac Effect Compensations and Locked States in a Ring Laser Gyroscope // Sensors. 2023, 23, 1718. https://doi.org/10.3390/s23031718
12. Choi W.S., Shim K.M., Kim C-J., Park B.Y. Effective Frequency Lock-In Changes of a Ring Laser Gyroscope Due to Harmonic Components of Dithering Signal // IEEE Sensors Letters. May 2023. V. 7. № 5. P. 1–4. Art № 1500504. Doi: 10.1109/LSENS.2023.3267886.
13. Chopra K.N. Ring Laser Gyroscopes. In: Optoelectronic Gyroscopes. Progress in Optical Science and Photonics, Springer, Singapore. 2021, 11. https://doi.org/10.1007/978-981-15-8380-3_1.
14. Damianos D., Girardin G. High-End Inertial Sensors for Defense, Aerospace & Industrial Applications // Market and Technology Report by Yole development. 2020.
15. Golovan А.A., Mishin V.Yu., Molchanov A.V., Chirkin M.V. Method for analyzing the influence of the errors induced by the gyroscopic channel of a strapdown INS in the autonomous mode // Journal of computer and systems sciences international. 2021. V. 60. № 4. P. 627–638. https://doi.org/10.1134/S1064230721040043.
16. Krasnorutskiy D.A., Lakiza P.A., Berns V.A., Zhukov E.P. Finite Element Model Updating Method of Dynamic Systems // PNRPU Mechanics Bulletin. 2021. № 3. P. 84–95. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.08.
17. Li Y., Tian K., Hao P., Wang B., Wu H., Wang B. Finite element model updating for repeated eigenvalue structures via the reduced-order model using incomplete measured modes // Mechanical Systems and Signal Processing, 142, 2020, 106748. Doi:10.1016/j.ymssp.2020.106748.
18. Liu J., Weng J., Jiang J., Liu Y., Jiao M., Zhao K., Zheng Y. Study of the Steady-State Operation of a Dual-Longitudinal-Mode and Self-Biasing Laser Gyroscope // Sensors 2022, 22, 6300. https://doi.org/10.3390/s22166300
19. Lyu M., Ma J., Yang H., Sun Y., Ao X., Xu J., Liu S. Polymorphic enhancement of random noise injection in mechanically dithered laser gyroscopes // Journal of Applied Optics. 2024. 45(6). P. 1284–1290. DOI: 10.5768/JA0202445.0607001.
20. Markvart A.A., Liokumovich L.B., Ushakov N.A. Synthesis of window functions for reducing systematic errors of multiplexed fiber-optic sensors // St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2022. № 15 (3). P. 185–200. DOI: https://doi.org/10.18721/JPM.15314.
21. Osipov D.V., Parshin A.N. Harmonic analysis on the rank-2 value group of a two-dimensional local field // Sbornik: Mathematics. 2020. V. 211. № 1. P. 115–160. DOI 10.1070/SM9201. EDN IOOUZT.
22. Sinelnikov A.O., Tikhmenev N.V., Ushanov A.A., Nazarov S.I. Interaction of the Dither of a Ring Laser Gyroscope with an External Mechanical Disturbance //  IEEE Xplore. 2023. P. 1–4. Doi: 10.23919/ICINS51816.2023.10168376.
23. Voropai N.I., Golub I.I., Efimov D.N. et al. Spectral and Modal Methods for Studying Stability and Control of Electric Power Systems // Automation and Remote Control. 2020. V. 81. № 10. P. 1751–1774. DOI 10.1134/S000511792010001X. EDN TADKJA.
24. Xudong Y., Xingwu L. Parametric design of mechanical dither with bimorph piezoelectric actuator for ring laser gyroscope // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 47, 2015. P. 305–312. DOI: 10.3233/JAE-140008.
25. Yu X., Wei G., Long X., Tang J. Finite Element Analysis and Optimization of Dither Mechanism in Dithered Ring Laser Gyroscope // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2013. V. 14. № 3. P. 415–421. DOI: 10.1007/s12541-013-0057-3.
26. Yakimov V.N., Batyschev V.I., Mashkov A.V. Digital Analysis of the Vibration Signals Amplitude Spectrum Based on Fourier Processing of the Binary-Sign Analog-Stochastic Quantization Result // Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2019. 20(12). Р. 723-731. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.20.723-731
27. Fan Z., Yuan B., Luo H., Tan Z., Wu S., Hu S. Random walk reduction in dithered ring laser gyroscope // Opt. Express. 2023. № 31. P. 7959-37967. https://doi.org/10.1364/OE.500916.