Инерциальная навигационная система: общие сведения, принцип действия, классификация и способы ориентации

Повышение требований к системам определения координат обуславливает необходимость освоения новых принципов навигации. В частности, одним из условий, которые диктует современность, стало внедрение относительно независимых средств измерения местоположения целевых объектов. Такие возможности обеспечивает инерциальная навигационная система, исключающая потребность в использовании сигналов от радиомаяков и спутников.

Общие сведения о технологии

Инерциальная навигация основывается на законах механики, позволяющих фиксировать параметры движения тел относительно установленной системы отсчета. Впервые данный принцип навигации стал применяться относительно недавно в корабельных гирокомпасах. По мере совершенствования измерительных приборов данного типа возникла методика, определяющая измеряемые параметры на основе ускорений тел. Теория инерциальной навигационной системы стала формироваться ближе к 1930 годам. С этого момента исследователи данного направления стали уделять больше внимания принципам устойчивости механических систем. На практике данную концепцию реализовать достаточно сложно, поэтому долгое время она оставалась лишь в теоретической форме. Но в последние десятилетия с появлением специальной аппаратуры на базе ЭВМ средства инерциальной навигации стали активно использоваться в авиации, водной технике и т. д.

Компоненты системы

Обязательными элементами любой инерциальной системы являются блоки чувствительных устройств измерения и вычислительные приборы. Первую категорию элементов представляют гироскопы и акселерометры, а вторую – компьютерная техника, реализующая определенные алгоритмы расчетов. Точность метода в значительной степени зависит от характеристик чувствительных устройств. К примеру, достоверные данные позволяют получить инерциальные навигационные системы только с гироскопами прецизионного типа в связке с акселерометрами. Но в этом случае у технического оснащения отмечается серьезный недостаток в виде высокой сложности электромеханической начинки, не говоря о крупных размерах оборудования.

Принцип работы системы

Метод определения координат посредством инерциальной системы заключается в обработке данных об ускорении тел, а также их угловых скоростей. Для этого, опять же, используются установленные непосредственно на целевом объекте чувствительные элементы, благодаря которым генерируется информация о метаположении, курсе движения, пройденном пути и скорости. Кроме того, принцип работы инерциальной навигационной системы дает возможность применять средства для стабилизации и даже автоматического управления объектом. Для таких целей как раз используются датчики линейного ускорения с гироскопической аппаратурой. С помощью данных устройств формируется система отчета, работающая относительно траектории движения объекта. По сгенерированной системе координат определяются углы наклона и поворота. К достоинствам этой технологии можно отнести автономность, возможность автоматизации и высокую степень помехоустойчивости.

Классификация инерциальных навигационных систем

В своей основе рассматриваемые системы навигации подразделяются на платформенные и бесплатформенные (БИНС). Первые также называются географическими и могут содержать две платформы. Одна обеспечивается гироскопами и ориентируется в инерциальном поле, а вторая работает под управлением акселерометров и стабилизируется относительно горизонтальной плоскости. В результате координаты определяются с применением информации о взаимном местоположении двух платформ. Более технологичными считаются модели БИНС. Бесплатформенная инерциальная навигационная система лишена недостатков, связанных с ограничениями в использовании гироплатформ. Функции определения скорости и местоположения объектов в таких моделях перекладываются на цифровую вычислительную технику, которая также способна фиксировать данные об угловой ориентации. Современное развитие систем БИНС ставит целью оптимизацию вычислительных алгоритмов без снижения точности исходных данных.

Способы определения ориентации платформенных систем

Не утрачивают актуальность и системы, работающие с платформами для определения исходных данных о динамике объекта. На данный момент успешно эксплуатируются следующие виды платформенных инерциальных моделей навигации:

• Геометрическая система. Стандартная модель с двумя платформами, которая была описана выше. Такие системы отличаются высокой точностью, однако имеют ограничения в обслуживании высокоманевренных аппаратов, работающих в космическом пространстве.
• Аналитическая система. Также задействует акселерометры и гироскопы, которые находятся в неподвижном состоянии относительно звезд. К преимуществам таких систем относят способность эффективно обслуживать маневренные объекты наподобие ракет, вертолетов и истребителей. Но даже по сравнению с бесплатформенной инерциальной навигационной системой аналитические комплексы демонстрируют низкую точность определения параметров динамики объекта.
• Полуаналитическая система. Обеспечивается одной платформой, непрерывно стабилизирующейся в пространстве местного горизонта. На этой базе размещается гироскоп и акселерометр, а вычисления организуются вне рабочей платформы.

Особенности инерциально-спутниковых систем

Это перспективный класс интегрированных навигационных систем, которые объединяют преимущества спутниковых источников сигнала и рассматриваемых инерциальных моделей. В отличие от популярных спутниковых систем такие комплексы позволяют дополнительно использовать данные об угловой ориентации и формировать независимые алгоритмы определения местоположения в условиях отсутствующих навигационных сигналов. Получение дополнительных сведений геолокации позволяет технически упрощать модели чувствительных элементов, отказываясь от дорогостоящего оборудования. К достоинствам инерциально-спутниковой навигационной системы относят малый вес, небольшие размеры и упрощенные схемы обработки данных. С другой стороны, нестабильность работы микроэлектромеханических гироскопов обуславливает накопление ошибок в определении данных.

Области применения инерциальных систем

Среди потенциальных потребителей технологии инерциальной навигации значатся представители самых разных отраслей. Это не только космонавтика и авиация, но также автомобилестроение (системы навигации), робототехника (средства контроля кинематических характеристик), спорт (определение динамики движения), медицина и даже бытовая техника т. д.

Заключение

Теория инерциальной навигации, концепция которой стала формироваться еще в прошлом веке, на сегодняшний день может рассматриваться как полноценный раздел мехатроники. Тем не менее последние достижения говорят о том, что впереди могут появляться и более прогрессивные открытия. Об этом свидетельствует и тесное взаимодействие инерциальных навигационных систем с информатикой и электроникой. Появляются новые амбициозные задачи, расширяющие пространство для развития смежных технологий, также базирующихся на теоретической механике. На данный же момент специалисты в этом направлении активно работают над оптимизацией технических средств, базовым среди которых можно назвать микромеханические гироскопы.