2 основное уравнение инерциальной навигации вывод и анализ возможностей применения

Об основном уравнении безгироскопной инерциальной навигационной системы Текст научной статьи по специальности « Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Гордин Александр Григорьевич, Комков Андрей Владимирович

Рассматривается возможность построения навигационных систем для специфического класса автономных объектов управления, определяются их типы, которые наиболее удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системам этого класса объектов. Формируется основное уравнение инерциальной навигации измерительного блока для общего случая. Описывается частный случай этого уравнения для измерительного блока с акселерометрами, жестко связанными с объектом.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Гордин Александр Григорьевич, Комков Андрей Владимирович

About basic equation of inertial navigation system without gyro

In the article the capability of the construction the navigation systems for specific class of objects of control is considered and the types of navigational systems, most approaching for this class, are setermined. A basic equation of inertial navigation in a general view is formed. The particular case of this equation equation for measuring unit with accelerometers hardly connected to object is considered.

Текст научной работы на тему «Об основном уравнении безгироскопной инерциальной навигационной системы»

ОБ ОСНОВНОМ УРАВНЕНИИ БЕЗГИРОСКОПНОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

ГОРДИН А.Г., КОМКОВ А.В.________________

Рассматривается возможность построения навигационных систем для специфического класса автономных объектов управления, определяются их типы, которые наиболее удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системам этого класса объектов. Формируется основное уравнение инерциальной навигации измерительного блока для общего случая. Описывается частный случай этого уравнения для измерительного блока с акселерометрами, жестко связанными с объектом.

В настоящее время широко распространены малогабаритные и микроминиатюрные роботы различного назначения, способные выполнять возложенные на них задачи автономно и с высокой эффективностью (микроминиатюрные автономные роботы — МАР) [1,2]. Требования, которые определяются спецификой такого класса объектов, исключают возможность использования существующих систем управления и навигации. Актуальным становится вопрос создания новых или модернизации существующих систем в целях приведения их характеристик в соответствие с требованиями, предъявляемыми к системам для МАР. Поскольку на первый план выходит автономность выполнения объектами возлагаемых на них задач, для их навигации и управления существующие и хорошо зарекомендовавшие себя системы с внешним источником информации о положении объекта (спутниковые, радионавигационные и др.) не пригодны. Для установки на борту этих объектов необходимы автономные малогабаритные системы навигации. Среди них ведущее место занимают инерциальные системы навигации. Поскольку малогабаритные роботы имеют на борту ограниченный запас ресурсов, а требование автономности объектов исключает возможность их подсоединения к внешним источникам информации, то время выполнения объектом поставленной перед ним задачи ограничено. Это позволяет не останавливаться на коррекции показаний данных систем, а основное внимание уделять повышению точности и уменьшению массово-габаритных характеристик.

Инерциальные системы разделяют на два класса:

1) системы с гиростабилизированной платформой (инерциальные измерители установлены на платформе, занимающей определенное положение в пространстве независимо от движения корпуса объекта);

2) бесплатформенные системы (инерциальные измерители закреплены жестко на корпусе объекта и движутся вместе с ним).

Рассмотрим возможность использования инерциальных систем обоих классов для МАР. Системы первого типа сложны и дорогостоящи, поскольку содержат в качестве измерительных блоков гиростабилизированные платформы (ГСП) различных типов [3]. Платформа стабилизируется в пространстве и моделирует инерциальную систему координат с точностью до ухода гироскопов стабилизации. Таким образом, известно положение трехгранника системы координат, в которой определяются навигационные параметры (геоцентрической, географической и т.п.). Вследствие этого система с ГСП позволяет выделять параметры ориентации и движения объекта с очень высокой точностью, однако из-за значительной стоимости и конструктивной сложности, а также неприемлемых массово-габаритных характеристик для установки на малогабаритных и микроминиатюрных роботах она не пригодна.

В настоящее время широко распространены бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС), где положение измерительного трехгранника определяется аналитически с помощью вычислительного устройства на основе показаний инерциальных измерителей, совершающих движение вместе с корпусом объекта. Эта задача решается в соответствии со сложными алгоритмами, что определяет повышенные требования к вычислителю.

Поскольку в БИНС датчики закреплены не на платформе, а на корпусе объекта, то диапазон внешних воздействий, измеряемых этими датчиками, более широкий. Стоимость бесплатформенных систем определяется стоимостью датчиков и вычислителя, поэтому ниже, чем у ГСП. Область применения БИНС весьма широка. Вследствие того, что массово-габаритные и точностные характеристики измерительного блока БИНС зависят от инерциальных измерителей, эти системы можно использовать на МАР.

Параметры движения и ориентации объекта в БИНС определяются путем решения в вычислителе основного уравнения навигации. Его вид зависит от типа инерциальных измерительных блоков, классификация которых приведена в [2] и которые разделяются следующим образом.

1. Измерительные блоки с датчиками угловой скорости (ДУС) различного вида и акселерометрами. Данный вид наиболее распространен в настоящее время, однако наряду с высокой точностью определения навигационных параметров и простыми алгоритмами их выделения имеет следующие недостатки: сравнительно высокая стоимость; использование индивидуального типа датчиков для определения каждого из инерциальных параметров (что усложняет конструкцию измерительного блока и не позволяет применять информацию с одного типа датчиков для определения параметров, выделяемых другим типом). Поэтому уменьшение массово-габаритных характеристик этого типа систем

возможно при ухудшении точности определения инерциальных параметров, что неприемлемо.

2. Измерительные блоки с угловыми и линейными акселерометрами. В таких системах угловые акселерометры используют для определения абсолютной угловой скорости объекта, а линейные — для определения компонентов кажущегося ускорения. Более дешевые, чем системы первого типа, они также характеризуются разнотипностью датчиков при определении параметров движения, накапливанием ошибок в определении угловой скорости из-за интегрирования во времени, помимо полезной информации и ошибок самого датчика. Поэтому для построения навигационных систем, использующихся в МАР, они не пригодны.

3. Измерительные блоки, включающие линейные акселерометры для определения инерциальных параметров. Данные системы наряду с дешевизной и однотипностью инерциальных измерителей, возможностью функциональной избыточности измерительных блоков без усложнения конструкции блока имеют и ряд недостатков: накопление ошибок при определении инерциальных параметров из-за интегрирования ошибок датчиков; большие габаритные характеристики, чем у измерительных блоков с ДУС и акселерометрами (это связано со спецификой определения параметров угловой скорости с помощью линейных акселерометров посредством измерения углового ускорения), высокие требования к акселерометрам, меньшая точность. Массово-габаритные характеристики измерительных блоков, включающих линейные акселерометры, зависят от характеристик акселерометров и при достаточно точных и малогабаритных акселерометрах (например, струнных) могут быть значительно меньше, чем у измерительных блоков с ДУС и акселерометрами. Таким образом, используя данный тип измерительных блоков как основу для построения систем навигации, возможно удовлетворить требования, предъявляемые к системам для МАР.

При использовании систем третьего типа отпадает необходимость в дополнительных источниках ин -формации, что уменьшает стоимость системы и ее массово-габаритные характеристики. Данные системы упоминаются в [4], однако уровень вычислительной техники периода расцвета инерциальных систем (70-е годы двадцатого века) не позволил реализовать безгироскопные системы на достаточно высоком уровне. Развитие вычислительной техники в последние годы позволило построить БИНС на основе использования достаточно недорогих акселерометров.

Задачей инерциальных систем навигации является определение с высокой точностью кинематических параметров движения центра масс объекта и его углового положения без привлечения внешних источников информации. Эта информация определяется по алгоритмам, сложность которых зависит от типа используемых инерциальных датчиков, конструкции измерительного блока и сложности

самого уравнения выделения инерциальных параметров.

Рассмотрим уравнение навигации, применяемое в инерциальных навигационных системах для получения параметров движения объекта. Подобное уравнение для системы с ГСП было представлено в [5]. Получим уравнение навигации для БИНС с жестко закрепленными акселерометрами, разнесенными относительно центра масс объекта.

Вводим следующие системы координат (СК) (рисунок):

1. Инерциальную O иХ иУиZH .

2. Стартовую OcXcYcZc (вращается относительно инерциальной СК с угловой скоростью ГО, начало в инерциальной СК описывается вектором rc ).

3. Связанную с объектом OjXYZ (вращается относительно стартовой СК с угловой скоростью ГО 2, начало в стартовой СК описывается вектором rc1 , а в инерциальной — вектором ГО ).

4. Измерительную ОиXrYrZr. Связана с измерительным блоком системы навигации (движется поступательно и может вращаться относительно связанной системы координат с угловой скоростью ГО з , начало в связанной СК определяется вектором r02, в инерциальной — вектором r03).

Используем второй закон Ньютона [5] в процессе формирования уравнения. Запишем уравнение второго закона Ньютона относительно чувствительного элемента акселерометра массой m . Смещением чувствительного элемента акселерометра относительно корпуса самого датчика пренебрегаем и в первом приближении рассматриваем чувствительный элемент акселерометра как точечную массу, сосредоточенную в точке о . При выводе уравнения не будут учитываться переходные режимы измерительного блока, поэтому считаем основным установившийся режим. К инерционной массе акселерометра, двигающейся в инерциальной СК, приложена сумма сил Fs ньютонова притяжения массы всей совокупностью небесных тел, включая, строго говоря, и притяжение массами объекта, на котором установлен акселерометр. Сила fynp обусловлена упругой деформацией подвеса самого акселерометра. Уравнение можно записать в следующем виде:

где V0 — вектор абсолютной скорости точки о в инерциальном пространстве; t — текущее время.

Разделим обе части выражения (1) на массу. При этом примем в качестве Fv (?0И) силу гравитационного поля основной планеты, тогда ускорение

можно записать как g(?ou) = , считая, что

действие других небесных тел мало по сравнению с основным. После деления силы упругости на

массу получаем вектор n = yym показаний акселерометра. В системе OXo YoZo для однокомпонентного акселерометра запишем n = [nx 0 0Т . Тогда уравнение (1) с условием всего сказанного выше преобразуется к виду

где n — вектор показаний акселерометра в инерциальной СК.

Для вывода уравнения рассмотрим классическую задачу определения положения точки в подвижной СК, которая движется в базовой неподвижной системе координат [6]. Задача разбивается на несколько этапов, количество которых зависит от количества пар СК. В рассматриваемом случае она разбивается на следующие этапы:

Этап 1. В качестве базовой принимается инерциальная СК OИХ И YuZu , а в качестве подвижной — стартовая СК OcXcYcZc. Определим положение точки 01. Тогда при данных приближениях линейную скорость точки 01 в инерциальной СК можно записать следующим образом:

VOj = VOc + Ш1 х rci, а в стартовой СК

/0c + Ші X rc + Ш 1 X rci

где Vc — вектор скорости начала стартовой С К в

проекциях на оси OcXcYcZc.

Тогда выражение (2) с учетом (4) в базовой системе координат принимает вид

dV°1 і — V c M ffl! ^

—d^ + Ш1X V01 = MиД^го )+ n );

+ Ш1 X rc + Ш1 X rc1 +

здесь M uc — матрица направляющих косинусов, описывающая переход от инерциальной и старто-drc ^

вой С К; dt — локальная производная вектора rc

Этап 2. В качестве базовой рассматриваем стартовую СК OcXcYcZc, а в качестве подвижной — связанную СК O1XYZ . Опишем движение точки OU относительно этих систем координат.

Тогда можно записать линейную скорость точки OU относительно стартовой СК:

VOu = VO1 + Ш 2 х Г02

а относительно связанной СК

VOOИ = VO + Ш 2 х rc1 + Ш2 х г02 O1 1

где V(O1 — вектор скорости точки o1 в проекциях на оси связанной СК.

Выражение (2) в связанной СК 01XYZ принимает вид

+ Й2 х V8оИ = McsMuc(4?0И)+nИ);

-(Й1 + й2) х (mcs1MhC^s)+

( Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

dt — локальные производные векто —

ров rc1,rc в связанной СК; M^M и1 — матрицы, обратные Mcs,Muc соответственно; rcs,rcs1 — векторы rc ,Гд в проекциях на оси связанной СК.

Этап 3. В качестве базовой рассматривается связанная СК 01XYZ , а в качестве подвижной — измерительная СК О Ux г YrZ г . Опишем движение точки О относительно этих систем координат.

Можно записать линейную скорость точки о относительно связанной СК:

V0 = Vs + Ш 3 х ї0+

а относительно измерительной СК

V0 = Vй + Ш3 X 1)9 + Ш3 X Г0 + ■dr°

где VИ — вектор скорости точки оИ в проекциях оИ 1

на оси связанной СК.

Тогда выражение (2) с учетом (10) в измерительной СК oUxrYrZr принимает вид

^ +Ю x VO = MsrM CSM и^4?0и))+ 5;

VO = ^ + 1 + ®2 + Ю3 ) x (M sr Mcs”M ис^с )+

+ ((Di + Ю2 + Ю3)x (Ms/M-c1^! dt”

+ (ю2 + D3)x (MSr1ro1’^+-d2

где Msr — матрица направляющих косинусов перехода от связанной к измерительной СК ;

— локальные производные векто-

ров rc1,rc,r02 в измерительной СК; М^1 — матрица, обратная Msr; rcr,rcr1,r0r2 — векторы rc1,rc,r02 в проекциях на оси измерительной СК; її — вектор показаний акселерометров в измерительной системе координат.

Выражение (11) дополняется системой дифференциальных уравнений Пуассона следующего вида:

Ю1М ис Ю2М cs; Ю 3Msr-

Полученные системы (11) и (12) представляют собой общий случай уравнений навигации, решая которые, можно определить кинематические параметры объекта на основе информации измерительного блока с акселерометром, размещенным в точке O . Для блока акселерометров вводятся следующие допущения:

1) измерительный блок жестко закреплен на кор -пусе объекта (Ю3 = 0 , Msr = const);

При использовании системы (14) следует учитывать, что информацию об угловых скоростях Ю” и ю2 получают по показаниям линейных акселерометров измерительного блока. Поэтому для определения 6 компонент векторов количество инерциальных измерителей должно быть увеличено до количества, достаточного для вычисления компонент всех угловых скоростей и линейных ускорений, действующих на объект.

Выражения (13) и (14) представляют собой идеальные уравнения инерциальной системы, использующей информацию измерительного блока с линейными акселерометрами для получения информации о кинематических параметрах объекта.

Литература: 1. Робот размером с пятицентовую монету. // Компьютерное обозрение. №12. 2001. С. 5. 2. Гордин А.Г., Комков А.В. Актуальные задачи использования информационных технологий при построении бесплатформенных инерциальных навигационных систем для малогабаритных БПЛА / Сб. науч. трудов Национального аэрокосмического университета. Авіаційно-космічна техніка і технологія. Харків: «ХАІ», 2000. Вип. 21. С. 180-186. 3. Горенштейн И.А., Шульман И.А. Инерциальные навигационные системы. М.: Машиностроение. 1970. 231 с. 4. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы (Обзор) // Вопросы ракетной техники. 1967. №1. С. 69-76. 5. Помыкаев И.И. Основы теории инерциального метода измерения ускорения движения летательного аппарата // Сб. науч. трудов. Системы ориентации и наведения летательных аппаратов / Под ред. д.т.н. Б.А. Рябова. М.: Машиностроение. 1968. С. 29-55. 6. АндреевВ.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. М.: Наука. 1966.580 с.

Поступила в редколлегию 21.01.2002 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Подлесный Н.И.

2) объект движется вокруг Земли (Ю” представляет собой известную величину);

3) вектор r0 = const.

Тогда получим систему для рассматриваемого случая:

^ + 53 * VO = Ms,McsMис(g(f0″))+ 5 ;

Msr^Fei ^ djcl dt

Гордин Александр Григорьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры систем управления Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». Научные интересы: интегрированные инерциальные системы навигации. Увлечения и хобби: история науки и техники, летательные аппараты, природа. Адрес: Украина, 61058, Харьков, ул. Культуры, 11, кв. 61, тел. 44-23-54, 43-93-55.

Комков Андрей Владимирович, аспирант кафедры систем управления летательных аппаратов Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». Научные интересы: навигационные системы. Увлечения: история авиации и бронетанковой техники, электроника, микроконтроллеры. Адрес: Украина, 61068, Харьков, ул. Блюхера, 15-Б, кв. 37, тел. 44-23-54, 68-86-70.

ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ

ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ, метод измерения ускорения судна или летательного аппарата и определения его скорости, положения и расстояния, пройденного им от исходной точки, при помощи автономной системы. Системы инерциальной навигации (наведения) вырабатывают навигационную информацию и данные для управления на борту самолетов, ракет, космических аппаратов, морских судов и подлодок.

Теоретические основы.

Ускорение есть быстрота изменения скорости, а скорость – быстрота изменения положения. Измеряя ускорение движения, можно путем его интегрирования вычислять скорость. Интегрированием же скорости можно определять текущее местоположение (координаты) летательного аппарата или судна. Таким образом, система инерциальной навигации есть система счисления пути.

Ускорение является векторной величиной, которая имеет не только численное значение, но и направление. Следовательно, система датчиков, определяющая ускорение, должна измерять и его величину, и его направление. Акселерометр измеряет величину. Информацию о направлении дают гироскопы, обеспечивающие опорную систему координат для акселерометров.

Акселерометры, измеряя фактическое ускорение, скажем, летательного аппарата, в то же время реагируют на гравитационное поле. Для компенсации этого ускорения система инерциальной навигации вычитает из выходных данных акселерометров вычисленное значение g. Величина g вычисляется как функция местоположения (координат), в частности долготы и широты.

Итак, система инерциальной навигации измеряет кажущееся ускорение, в которое входит ускорение свободного падения. Затем она, дважды интегрируя эту величину, находит местоположение. И наконец, исходя из этого вычисленного местоположения, вычисляет величину g, которая вычитается из кажущегося ускорения. Такая система с обратной связью второго порядка (рис. 1) ведет себя, как генератор колебаний очень низкой частоты в двух ортогональных горизонтальных направлениях. Период колебаний на уровне моря равен 84 мин; они называются колебаниями Шулера по имени немецкого изобретателя М.Шулера, запатентовавшего в 1908 первый практически пригодный гирокомпас.

Варианты системы.

В прежних системах инерциальной навигации опорная система координат обеспечивалась установкой акселерометров и гироскопов на стабилизированной платформе в кардановом подвесе. Такой подвес изолировал платформу от поворотов летательного аппарата или судна. Это позволяло удерживать акселерометры в неизменной ориентации относительно Земли при движении объекта.

В современных системах инерциальной навигации применяются компьютеры, следящие за ориентацией акселерометров. Такие системы называются бесплатформенными. Выходные данные гироскопов поступают непосредственно на компьютер, который вычисляет мгновенное направление акселерометров в опорной системе координат и соответствующие корректирующие сигналы.

Инерциальные приборы.

Основными приборами системы инерциальной навигации являются акселерометры и гироскопы. Акселерометр наиболее распространенного вида представляет собой чувствительную массу, связанную с корпусом пружиной того или иного рода. Пружина может быть механической, но чаще всего это электрическое (электромагнитное, электростатическое или пьезоэлектрическое) устройство, которое создает противодействующую силу. При отклонении корпуса (относительно массы), вызванном приложенным ускорением, появляется сигнал. Электронный усилитель, усилив этот сигнал, создает соответствующую ускорению противодействующую силу пружины (приложенную к массе), которая в системе обратной связи сводит сигнал рассогласования к нулю (рис. 2).

В системах наведения баллистических ракет и космических летательных аппаратов, где точность определения скорости является критически важной, в качестве противодействующей силы ранее использовалась реакция гироскопа, а ускорение автоматически интегрировалось для нахождения скорости. В обычном механическом гироскопе посредством вращающегося ротора, подобного юле, поддерживается фиксированное направление в пространстве. Чтобы прибор был достаточно стабилен для целей инерциальной навигации, должны быть исключены трение и другие возмущающие воздействия. Поэтому огромное значение имеют точные расчеты и тщательность изготовления гироскопических приборов. Тем не менее, основной причиной возникновения ошибки в механическом гироскопе является трение в движущихся частях.

В последнее время механические гироскопы все чаще заменяются оптическими. Последние особенно подходят для бесплатформенных систем инерциальной навигации. Оптические гироскопы основаны на принципе Саньяка, названном по имени французского физика С.Саньяка, который в 1913 построил оптический интерферометр для измерения скорости вращения.

Лазерный гироскоп

(рис. 3) представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам треугольника или квадрата. Два лазерных пучка, генерируемые в самой системе, проходят по резонатору в противоположных направлениях. Интерферируя, они дают картину из светлых и темных пятен. Эта картина сохраняет свое положение в пространстве, и при повороте резонатора (корпуса гироскопа) фотоприемник регистрирует поворот, считая пробегающие по нему пятна.

Работе лазерного гироскопа вредит обратное рассеяние, т.е. рассеяние лазерного луча на поверхностях зеркал и на молекулах газа, встречающихся на пути луча. Обратное рассеяние нарушает картину пятен таким образом, что она поворачивается вместе с корпусом. Устранение и сведение к минимуму обратного рассеяния требуют высочайшей точности при проектировании и изготовлении лазерных гироскопов. См. также ЛАЗЕР.

Волоконно-оптический гироскоп

(рис. 4) действует по принципу интерферометра Саньяка. Свет в нем направляется по замкнутому пути с помощью оптического волновода. Для увеличения длины оптического пути и повышения чувствительности гироскопа оптическое волокно свернуто в спираль. В волоконно-оптическом гироскопе используется внешний лазерный источник света. И здесь обратное рассеяние остается серьезной проблемой.

Достоинства и недостатки.

Поскольку системы инерциальной навигации автономны, на их работе не сказываются погодные условия. Они не поддаются радиоэлектронному подавлению и обеспечивают скрытность (не генерируют электромагнитного излучения, выдающего присутствие летательного аппарата).

Одним из недостатков систем инерциальной навигации является то, что их необходимо настраивать (выставлять) не только по скорости и местоположению, но и по пространственному положению (ориентации относительно заданной базы, например горизонта). Пространственное положение можно задать, пользуясь акселерометрами для определения направления вертикали и гироскопами для определения вращения Земли. Этими векторами определяются оси опорной системы координат (но только не в том случае, когда объект находится на Южном или Северном полюсе; в этом случае направление вертикали коллинеарно оси земного вращения и система не может определить азимут). Процесс выставки занимает несколько минут или более. Общее правило таково, что чем меньше время выставки, тем ниже чувствительность и точность системы.

Большим недостатком системы инерциальной навигации является то, что ее ошибка со временем накапливается. Это обусловлено интегрирующим действием самой системы. Скорость вычисляется интегрированием ускорения, и постоянная ошибка ускорения преобразуется в непрерывно нарастающую ошибку скорости. Благодаря обратной связи по ускорению свободного падения нарастание ошибки происходит лишь в пределах одного периода колебаний Шулера (84 мин). Однако для баллистических ракет и это много. Кроме того, из-за многочисленных малых погрешностей измерения амплитуда этих колебаний со временем увеличивается. В связи с ошибками гироскопа возникают ошибки направления при измерении кажущегося ускорения и ускорения свободного падения, что тоже приводит к нарастанию дополнительных ошибок.

Вспомогательные навигационные средства.

Если накопленная ошибка становится слишком большой, ее можно корректировать с помощью внешних вспомогательных средств. Конечно, тогда система становится неавтономной. К внешним навигационным средствам относятся доплеровские радиолокационные станции, системы астроориентации, радиолокационные средства определения местоположения, навигационные спутники и различные электронные системы наземного базирования («Такан», «Лоран», «Омега»).

Для оптимального использования данных, поступающих от внешних вспомогательных средств, нужно, чтобы тщательно учитывались характеристики и погрешности этих и бортовых навигационных средств. Оптимальное объединение данных разных источников обеспечивает «обобщенный фильтр Калмана», названный по имени американского математика венгерского происхождения Ф.Калмана, опубликовавшего в 1961 свой метод фильтрации. Эта вычислительная процедура представляет собой алгоритм, допускающий компьютерную реализацию. Он применяется почти во всех инерциальных навигационных системах. См. также АЭРОНАВИГАЦИЯ; АВИАЦИОННЫЕ БОРТОВЫЕ ПРИБОРЫ; ГИРОСКОП

Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. М., 1967
Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М., 1976
Климов Д.М. Инерциальная навигация на море. М., 1984
Кавинов И.Ф. Инерциальная навигация в околоземном пространстве. М., 1988

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

Вам будет интересно: GPS-трекер для автомобиля. Какой GPS-трекер выбрать для автомобиля? Установка GPS-трекера на автомобиль. Подключение GPS-трекера

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

Вам будет интересно: «Гармин» — навигатор туристический. Описание, инструкция, отзывы

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.


источники:

http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/voennaya_tehnika/INERTSIALNAYA_NAVIGATSIYA.html

http://abc-import.ru/gps/1834-inercialnaja-navigacionnaja-sistema-obshhie-svedenija-princip-dejstvija-klassifikacija-i-sposoby-orientacii/