Инерциальные навигационные системы
Принцип работы инерциальной навигационной системы
Российский предприниматель Евгений Старостенко 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: 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 Энциклопедия.
Основное уравнение для вычисления координат имеет вид:
Вычисления осуществляются по следующему алгоритму:
- В блок 4 через вход А загружаются начальные данные для калибровки навигационной системы и ориентации инерционных датчиков.
- Данные поступают в блоки 1, 2, 3.
- В блоке 3 осуществляется синхронизация с мировым временем, данные о котором поступают в блоки 1, 2 и 4.
- Блок 1 регистрирует данные об ускорении.
- В блоке 2 происходит интегрирование уравнения (1): однократное — для определения скорости, двукратное — для определения координат.
- 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.
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.
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.
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.
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
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.
