Способ фазовой синхронизации гироскопов в рой-системе на основе пространственно-интерференционного взаимодействия
© О.С. Басаргин – исследователь, изобретатель. Председатель Фонда «Исследования природы времени»
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области инерциальной навигации, гироскопических измерений и автоматического управления, а именно — к способам фазовой синхронизации между гироскопами, входящими в состав рой-систем или распределённых мультиагентных инерциальных комплексов. Более конкретно, изобретение относится к способам согласования фазовых состояний гироскопических модулей на основе пространственно-интерференционного взаимодействия физических полей, что позволяет обеспечить коллективную ориентацию, устойчивое управление и согласованное движение в рое без централизованного управляющего устройства.
Настоящее изобретение может быть применено в беспилотной авиации, автономных подводных аппаратах, робототехнических системах, системах космической ориентации, мобильных распределённых сенсорных платформах, а также в перспективных навигационно-вычислительных комплексах, основанных на фазовом согласовании между отдельными физическими узлами. Способ может быть реализован как на основе оптических или акустических фазовых трактов, так и в электромагнитном ближнем поле, что обеспечивает широкую область применения при минимальной зависимости от внешней инфраструктуры.
Изобретение может быть отнесено к следующим основным классам Международной патентной классификации: G01C 21/00, G01P 21/00, G01C 19/66, G05D 1/00, G06N 10/00.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны различные технические решения, направленные на синхронизацию и координацию автономных модулей в распределённых навигационных и управляющих системах. Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому изобретению являются способы, реализующие взаимодействие между инерциальными модулями посредством обмена сигналами или физического сопряжения.
Из патентной документации известен способ, описанный в китайском патенте CN108387246B, в котором раскрывается многоузловая распределённая инерциальная система ориентации, включающая фотонный волоконно-оптический гироскоп (MPOS) и несколько инерциальных навигационных подсистем (SIMU), синхронизируемых путём передачи данных и юстировочных поправок. Недостатками данного решения являются: зависимость точности системы от центрального высокоточного узла, необходимость постоянного обмена данными между модулями, а также отсутствие физического фазового согласования на уровне элементов гироскопической чувствительности.
Патент US12031823B2 описывает инерциальную навигационную систему систем (INSOS), состоящую из множества автономных IMU, размещённых по спиральной геометрии. Центральный блок агрегирует данные и формирует виртуальный гироскопический ответ. Основной недостаток данного способа — отсутствие автономного согласования между модулями по физическим параметрам (в частности, фазе), а также отсутствие возможности масштабирования без роста вычислительной нагрузки на центральный узел.
Патент RU2742504C2 раскрывает способ интерференционной обработки сигналов с использованием фазового каскада и кольцевой задержки. Несмотря на применение интерференционной логики, данное решение относится к области измерений и не решает задачи согласования фазовых состояний в составе рой-систем. Отсутствует механизм межмодульного взаимодействия и фазового самоорганизующегося согласования.
Таким образом, ни одно из известных решений не обеспечивает согласования фазовых состояний гироскопов на физическом уровне через пространственно-интерференционное поле, без цифровой связи и централизованного управления.
Наиболее близким по назначению и реализуемым признакам к заявляемому изобретению является способ, описанный в патенте CN108387246B, который принимается в качестве основного прототипа. Отличие предлагаемого способа заключается в том, что синхронизация фаз осуществляется за счёт прямого участия каждого гироскопического модуля в формировании и восприятии общего интерференционного поля, без обмена данными, что обеспечивает децентрализованное физическое согласование с высокой отказоустойчивостью.
ПРОБЛЕМА И ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Современные рой-системы и распределённые инерциальные комплексы требуют надёжной и отказоустойчивой координации между автономными гироскопическими модулями. В условиях отсутствия централизованного управляющего узла, а также при невозможности использования радиоканалов и цифровых протоколов, особенно в подводной, космической или военной технике, задача согласования фазовых состояний между модулями становится критически важной.
Известные способы либо используют обмен данными между гироскопами, что требует канала связи и времени на обработку, либо полагаются на центральный элемент системы, который агрегирует и распределяет фазовую информацию. В таких подходах невозможно обеспечить синхронизацию в условиях полной автономности и децентрализации. Более того, обмен информацией делает систему уязвимой к перехвату, помехам и нарушению согласованности при выходе из строя отдельных узлов.
Проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в отсутствии способа, обеспечивающего фазовую синхронизацию между гироскопами рой-системы посредством физического взаимодействия на уровне пространственно-интерференционного поля, без цифровой связи, адресации, идентификации или центра управления.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является обеспечение согласования фазового состояния между автономными гироскопами рой-системы путём реализации пространственно-интерференционного взаимодействия, при котором каждый модуль одновременно излучает и воспринимает фазовый отклик, настраивая своё внутреннее состояние в соответствии с локальной фазовой структурой.
Это обеспечивает: — отказоустойчивость при потере отдельных узлов; — синхронизацию без обмена данными; — коллективную ориентацию на основе локального фазового градиента; — возможность внешнего управления через формирование фазового фона или градиента поля без необходимости обращения к каждому элементу; — совместимость с различными физическими реализациями (оптика, акустика, ЭМ-поле).
Таким образом, достигается новый уровень автономной фазовой синхронизации в распределённых системах, позволяющий построение рой-структур с физическим согласованием, не зависящим от вычислительной инфраструктуры и внешнего командного управления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность заявляемого изобретения заключается в реализации способа фазовой синхронизации гироскопов в рой-системе на основе пространственно-интерференционного взаимодействия. Способ представляет собой совокупность действий, направленных на достижение согласованного фазового состояния между автономными гироскопами без установления направленной или адресной связи между модулями, а также без централизованного управления или идентификации.
Согласно способу, каждый гироскопический модуль формирует физический фазовый сигнал (например, акустический, оптический или электромагнитный), обладающий когерентной структурой. Эти сигналы распространяются в пространстве и интерферируют, формируя результирующее интерференционное поле, общее для всей рой-системы. Каждый модуль воспринимает локальное значение этого интерференционного поля, определяя фазовый минимум, максимум или градиент в своей зоне чувствительности.
На основании воспринятого фазового сигнала модуль осуществляет локальную подстройку собственного фазового состояния, изменяя параметры своего излучаемого сигнала таким образом, чтобы минимизировать рассогласование с фазовым градиентом поля. Данная процедура осуществляется в реальном времени и повторяется циклически, пока не будет достигнута устойчивая конфигурация, при которой модули находятся в согласованных фазовых состояниях.
Фазовая подстройка может быть реализована с использованием внутренних алгоритмов на базе аналоговой или квантово-инспирированной логики, при этом отсутствует необходимость в обмене идентифицируемыми цифровыми данными между модулями.
Таким образом, способ обеспечивает: — реализацию фазовой синхронизации в рой-системе без внешней адресации; — формирование устойчивого интерференционного поля, обеспечивающего естественную фазовую реакцию на результирующее поле; — фазовую адаптацию каждого гироскопа по локальному критерию; — цикличность и самостабилизацию в распределённой системе; — универсальность способа для различных типов физического сигнала (оптического, акустического и др.).
Сущность изобретения заключается в том, что фазовая синхронизация достигается не путём централизованной обработки или обмена цифровыми сообщениями, а за счёт локального восприятия каждым гироскопом интерференционной структуры поля и индивидуальной корректировки фазового состояния, что формирует физически согласованную, децентрализованную систему.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется схемой, представленной на фигуре 1.
Фигура 1 — блок-схема реализации способа фазовой синхронизации гироскопов в рой-системе на основе пространственно-интерференционного взаимодействия.
На фигуре условно изображены следующие элементы:
1 — гироскопический модуль, формирующий фазовый сигнал; 2 — результирующее интерференционное поле (обобщённое отображение суперпозиции сигналов); 3 — область локального восприятия интерференционного поля; 4 — модуль фазовой подстройки (логический блок, реализующий фазовую адаптацию); 5 — направление фазового градиента в поле; 6 — множество модулей рой-системы, участвующих в формировании поля и синхронизации.
Блок-схема отражает логику способа: каждый модуль формирует сигнал, воспринимает интерференционное поле, определяет локальные параметры и осуществляет подстройку собственной фазы, без обмена направленными сигналами с другими модулями.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявляемый способ может быть реализован в составе распределённой рой-системы, содержащей множество автономных гироскопических модулей, каждый из которых способен формировать когерентный фазовый сигнал и воспринимать результирующее пространственно-интерференционное поле.
На начальном этапе каждый гироскопический модуль 1 формирует фазовый сигнал в результирующее интерференционное поле 2, например в виде периодического колебания, распространяемого через акустическую, оптическую или электромагнитную среду. Сигналы от всех гироскопических модулей 1 интерферируют в пространстве, формируя результирующее поле 2, в котором каждый модуль 1 фиксирует локальное значение фазы (блок 3).
На основе воспринятого значения — минимума, максимума или градиента — каждый модуль осуществляет фазовую подстройку (блок 4), изменяя параметры своего сигнала таким образом, чтобы минимизировать расхождение с окружающим полем. Такая подстройка может включать фазовый сдвиг, изменение частоты, амплитуды или углового положения.
Процесс осуществляется итерационно: после каждой подстройки модуль вновь излучает сигнал, поле изменяется, и цикл повторяется. Благодаря этому достигается устойчивая фазовая конфигурация, при которой все модули находятся в согласованных состояниях (блок 5).
В таблице 1 приведён пример динамики фазовой подстройки одного модуля в процессе синхронизации:
На фиг. 2 представлен график сходимости фазы гироскопа во времени, отражающий стабилизацию значения на уровне около 1.5 рад.
На фиг. 3 показана тепловая карта фаз роя из 100 модулей (10×10), достигших устойчивой конфигурации. Видно, что значения фазы распределены равномерно с небольшими колебаниями.
На фиг. 4 представлена зависимость количества итераций до достижения устойчивого состояния от плотности роя. Из графика следует, что с ростом плотности количество итераций сокращается, что связано с более частым взаимодействием фазовых фронтов.
Возможны реализации на различных физических носителях: — в оптической системе: гироскопы используют когерентный лазерный сигнал в ближнем поле; — в акустической системе: фазовая синхронизация осуществляется через ультразвуковые колебания; — в электромагнитной реализации: сигналы могут быть организованы в СВЧ-диапазоне с фазовой чувствительностью.
Для реализации подстройки фазового состояния в модуле могут использоваться микросхемы с аналоговой логикой, управляемые реакцией на локальное интерференционное распределение, без необходимости в цифровой обработке и без адресного обмена между модулями.
Физическая реализация может быть выполнена в виде рой-системы, размещённой на подвижных носителях (например, дронах, спутниках или морских платформах), при этом каждый модуль функционирует автономно, реагируя только на локальное распределение поля и не требуя синхронизации по времени или идентификации.
Таким образом, способ реализуется как самоорганизующийся фазовый процесс с участием всех элементов роя, достигающий устойчивой конфигурации без управляющего центра и без направленных коммуникаций.
ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1 (в соответствии с МПК G01C 21/00 — инерциальные навигационные системы)
В составе автономной рой-системы беспилотных летательных аппаратов реализована навигационная система, включающая гироскопические модули, каждый из которых формирует и воспринимает фазовый сигнал в радиодиапазоне. За счёт пространственно-интерференционного взаимодействия обеспечивается синхронизация фаз всех модулей без радиосвязи между ними. Устойчивое фазовое состояние позволяет выполнять коллективные манёвры и пространственную стабилизацию, повышая навигационную точность в условиях отказа спутниковых сигналов.
Пример 2 (в соответствии с МПК G01P 21/00 — измерение угловой скорости)
Реализован способ фазовой синхронизации в составе гироскопической измерительной системы для подводных автономных аппаратов. Каждый модуль формирует акустический фазовый сигнал в воде, воспринимает интерференционное поле, и настраивает свою фазу по локальному минимуму. Устойчивость конфигурации достигается за 5–10 циклов. Измерения угловой скорости становятся согласованными по всей структуре роя без необходимости в централизованном блоке обработки.
Пример 3 (в соответствии с МПК G01C 19/66 — интерференционные гироскопы)
Используются волоконно-оптические интерференционные гироскопы с возможностью излучения и восприятия фазовых колебаний в оптическом диапазоне. Гироскопы размещаются на спутниковой платформе и взаимодействуют через общее световое поле. Фазовая подстройка осуществляется аналоговой логикой. Интерференционное согласование фаз позволяет формировать пространственный фазовый вектор ориентации всей системы без цифрового управления.
Пример 4 (в соответствии с МПК G05D 1/00 — автоматическое управление движением и положением)
В составе роя наземных автономных роботов реализована система автоматического управления маршрутом на основе фазовой синхронизации. Каждый модуль реагирует на интерференционную структуру поля, минимизируя фазовую ошибку. Это позволяет выполнять слаженное распределённое движение в пространстве без связи и координационного сервера. Управление достигается только за счёт распределённого фазового взаимодействия между роботами.
Пример 5 (в соответствии с МПК G06N 10/00 — нейроподобные и аналоговые системы управления)
Фазовая подстройка в гироскопах осуществляется с использованием аналоговой схемотехники, реализующей функции минимизации фазового градиента по типу искусственной синаптической сети. Модули реагируют на локальные значения интерференционного поля, настраивая параметры синаптически подобной логики. Такая система реализует нейроподобную согласованность в фазовом пространстве, обеспечивая устойчивую самоорганизацию роя в условиях быстро изменяющихся внешних полей.
СВЯЗЬ ПРИЗНАКОВ ФОРМУЛЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ С ТЕХНИЧЕСКИМ РЕЗУЛЬТАТОМ
Формула изобретения содержит совокупность существенных признаков, направленных на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении децентрализованной фазовой синхронизации гироскопов в рой-системе без использования цифровой или аналоговой связи, централизованного управления и адресной идентификации.
1. Признак: «формирование фазового сигнала каждым гироскопом» Обеспечивает создание активного источника волнового воздействия, участвующего в формировании общего интерференционного поля. Это необходимо для реализации механизма распределённой самоорганизации и является базой для физического сопряжения элементов системы.
2. Признак: «восприятие каждым гироскопом результирующего интерференционного поля» Обеспечивает локальное обнаружение фазовой структуры, возникающей как суперпозиция сигналов всех модулей. Это позволяет обойтись без прямого обмена информацией и задействовать принципы распределённой сенсорики.
3. Признак: «локальная фазовая подстройка каждого гироскопа по отношению к минимуму или градиенту интерференционного поля» Реализует ключевой механизм адаптации — фазовое согласование за счёт физического сравнения и настройки, без идентификации других участников. Это позволяет достичь устойчивой конфигурации в условиях динамической среды.
4. Признак: «повторение цикла до установления устойчивой конфигурации фаз» Обеспечивает итерационный характер процесса, при котором система сходится к устойчивому состоянию. Это критично для самоорганизации и отказоустойчивости: при сбоях или изменении внешних условий цикл самовосстанавливается.
Все признаки формулы направлены на реализацию способа, при котором достигается технический результат — децентрализованная фазовая синхронизация гироскопов с высокой устойчивостью, без связи и управляющего центра, путём физического взаимодействия в интерференционном поле.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Заявляемый способ может быть реализован с использованием доступных технических средств и современных компонентных баз, применяемых в области гироскопических систем, аналоговой схемотехники, оптоэлектроники и фазовых сенсоров.
Физическая реализация способа возможна с применением существующих технологий формирования когерентных сигналов (лазеры, пьезоизлучатели, СВЧ-генераторы), стандартных приёмников (оптические сенсоры, микрофоны, антенны ближнего поля), а также простейших блоков аналоговой обработки (фазовые компараторы, синхронные фильтры, фазовые регуляторы).
Способ применим к различным классам физических сред — воздушной, водной, вакуумной, твёрдотельной, а также к мобильным, автономным и распределённым объектам (дроны, спутники, подводные аппараты, наземные рой-системы).
Применение не требует высокоточной синхронизации по времени, цифровых каналов связи, GPS или внешних управляющих вычислительных систем. Это обеспечивает широкую применимость в условиях внешних помех, киберугроз, подводной или космической изоляции.
Таким образом, заявляемый способ отвечает критерию промышленной применимости в соответствии с пунктом 4 статьи 1350 ГК РФ, поскольку может быть реализован с использованием известных средств и методов в различных отраслях техники, включая оборонную, навигационную, робототехническую, аэрокосмическую и морскую промышленность.