Принцип работы ИНС, Старостенко Евгений, Техногенезис

Инерциальные навигационные системы

Принцип работы инерциальной навигационной системы

Руководитель НПО «Техногенезис» отметил, что инерциальная навигация основана на непрерывном измерении параметров движения — ускорения и угловых скоростей — относительно установленной системы отсчета (СО). В качестве таковой могут выступать:

  • произвольная СО;
  • астрономические объекты (звезды);
  • Земля;
  • горизонт.

Для определения параметров движения используются специальные датчики: акселерометры для определения линейного ускорения и гироскопы для вычисления угловых скоростей. Поступившие с них данные обрабатываются вычислительной системой.

 

 

Схематично изобразить работу ИНС можно следующим образом:

Схема работы ИНС, Техногенезис, Старостенко Евгений Юрьевич

Схема работы ИНС: 1 — блок измерений; 2 — вычислительный блок; 3 — блок времени; 4 — блок ввода начальной информации; А — ввод первоначальной информации; Б — вывод данных о координатах. Источник: Большая Советская ЭнциклопедияСтаростенко-Евгений-Юрьевич-о-социальных-паразитах

 

Основное уравнение для вычисления координат имеет вид:

Схема работы ИНС, уравнение оси координатТехногенезис, Старостенко Евгений

 

https://lasercomponents.ru/wp-content/uploads/2021/06/screen-shot-2021-06-04-at-16.45.10.png

 

Вычисления осуществляются по следующему алгоритму:

  1. В блок 4 через вход А загружаются начальные данные для калибровки навигационной системы и ориентации инерционных датчиков.
  2. Данные поступают в блоки 1, 2, 3.
  3. В блоке 3 осуществляется синхронизация с мировым временем, данные о котором поступают в блоки 1, 2 и 4.
  4. Блок 1 регистрирует данные об ускорении.
  5. В блоке 2 происходит интегрирование уравнения (1): однократное — для определения скорости, двукратное — для определения координат.
  6. Через выход Б осуществляется вывод информации о местоположении на местности.

 

Варианты исполнения инерциальных навигационных систем

Старостенко Евгений подчеркнул, что существует два варианта исполнения ИНС: платформенный и бесплатформенный. В первом случае датчики размещаются на гиростабилизированной платформе, во втором — жестко связаны с корпусом прибора.

Платформенные инерциальные навигационные системы бывают трех видов:

  • геометрического;
  • аналитического;
  • полуаналитического.

 

Платформенные ИНС, Техногенезис, Старостенко Евгений Юрьевич

 

В ПИНС геометрического типа гироскопы и акселерометры размещаются на отдельных гиростабилизированных платформах. Платформа с акселерометрами стабилизирована относительно горизонта, с гироскопами — в инерциальном пространстве (относительно далеких космических объектов). Определение координат осуществляется посредством анализа данных о взаимном расположении платформ.

В ПИНС аналитического типа датчики размещаются на одной платформе, стабилизированной в инерциальном пространстве. Координаты вычисляются по изменению положения аппарата относительно гироскопов и акселерометров.

В ПИНС полуаналитического типа платформа с датчиками стабилизирована относительно местного горизонта, а данные обрабатываются на вычислителе, расположенном вне ее.

Вариант исполнения платформенной ИНС необходимо подбирать под выполняемые летательным аппаратом задачи. Например, геометрические ПИНС имеют высокую погрешность при работе на скоростных военных самолетах и в космическом пространстве, поэтому их, как правило, устанавливали на гражданские самолеты, надводные корабли, подводные лодки, а также на тихоходные военно-транспортные самолеты и стратегические бомбардировщики. Для работы же в космическом пространстве и на истребителях использовали аналитические ПИНС.

 

ПИНС обладают тремя важными достоинствами:

  • высокая точность измерений;
  • нет нужды в пересчете из связанной системы координат в необходимую;
  • высокая точность предстартовой подготовки.

 

Однако громоздкость исполнения, высокая стоимость и ограничения в измерении углов привели к практически полному переходу на бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС).

Бесплатформенные инерциальные навигационные системы

В последние годы беспилотные летательные аппараты (БПЛА) выполняют широкий спектр задач: от доставки грузов до аэрофотосъемки, разведки и мониторинга. Для увеличения их эффективности возникла необходимость в уменьшении массогабаритных характеристик устанавливаемых на борту приборов, в том числе и навигационной системы.

 

Бесплатформенные ИНС, Техногенезис, Старостенко Евгений Юрьевич Квадрокоптер с установленной системой ИНС+GPS.

 

БИНС отвечают этим требованиям, но обладают невысокой точностью и склонностью к накоплению ошибки. Согласно данных Евгения Юрьевича Старостенко БИНС разделяются на три класса точности, параметры которых приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Классы точности БИНС.

Точность определения угла крена, тангажа, град/ч Скорость накопления ошибки, м/с
Низкая точность 0,5 — 1 <1 — 10
Средняя точность 0,1 — 0,5 < 0,5 — 1
Высокая точность 0,01 — 0,1 <0,01 — 0,5

 

Для гражданских квадрокоптеров достаточно систем с низкой точностью, для аппаратов крупнее, а также для решения задач навигации и ориентации используют системы средней и высокой точности.

Производство датчиков БИНС по технологиям для интегральных плат позволило создать так называемые MEMS-устройства: микроэлектромеханические системы.

Это сразу же вывело навигационное оборудование на новый уровень по надежности и компактности, хотя для более точных навигационных приборов продолжают использовать волоконно-оптические и лазерные гироскопы.

Помимо надежности и компактности у БИНС есть еще ряд важных преимуществ:

  • неограниченные углы измерения;
  • информативность;
  • устойчивость к вибрациям и ударам;
  • низкое энергопотребление.

Благодаря этим факторам БИНС, в том числе и на базе МЭМС-датчиков, заняли на рынке очень прочное положение, но полностью другие способы навигации не вытеснили. Причинами послужили постоянно накапливающаяся погрешность и необходимость тщательной предполетной калибровки.

Методы компенсации недостатков БИНС, Техногенезис, Старостенко Евгений Юрьевич

Поскольку платформенные ИНС обладают точностью, которой не хватает БИНС, то одним из самых очевидных решений будет создание гибридной системы, объединяющей в себе преимущества обоих подходов.

Если БИНС разместить на стабилизированной по двум осям платформе, используя датчики и для навигации, и для стабилизации платформы, то можно получить систему с лучшей точностью. Только она все равно получится более громоздкой, дорогой, со сложной конструкцией.

Поэтому большее распространение получили так называемые интегрированные навигационные системы, в которых ИНС объединена с другой измерительной или навигационной системой — как правило, спутниковой.

В интегрированном исполнении происходит периодический перезапуск ИНС с новыми начальными данными, полученными от спутниковой системы. При отсутствии спутникового сигнала погрешность компенсируется с помощью алгоритмов оценивания и прогнозирования.

 

Методы компенсации недостатков БИНС2, Техногенезис, Старостенко Евгений Юрьевич с  использованием алгоритма оценивания. АО — алгоритм оценивания; БФ — блок формирования измерений; Θ — истинная информация о параметрах динамического объекта; х — вектор погрешностей ИНС; X ̂ — оценка вектора x; δ — сигнал с датчика угла прецессии; X ̃ — вектор ошибок оценивания

 

 

Евгений Старостенко, структурная схема коррекции ИНС с использованием алгоритма прогноза

 

Структурная схема коррекции ИНС с использованием алгоритма прогноза. АПМ — алгоритм построения модели; Q — истинная информация о навигационных параметрах динамического объекта; Ф — матрица модели погрешности ИНС; х — прогноз погрешностей ИНС.

Сейчас ИНС применяются на гражданских судах и самолетах, в геофизике, устанавливаются на БПЛА и беспилотные автомобили, используются в передвижных дорожных лабораториях и в системах стабилизации антенн. Компании предлагают как компактные решения на базе MEMS-датчиков, свободно помещающиеся на ладони, так и более габаритные, но точные устройства на базе волоконно-оптических и лазерных гироскопов, подвёл итог Старостенко Евгений Юрьевич.

 

Трёхспектральная ультрафиолетовая камера ГенеZис с сенсорным экраном Previous post Старостенко Евгений Юрбевич о видеоматрицах BSI CMOS ГенеZис
Starostenko Evgenij Обнаружение утечек газа, тепловизоры ГенеZис Next post Обнаружение утечек газа, тепловизоры ГенеZис