Астрокорректируемая инерциальная система наведения

Астрокорректируемая инерциальная система наведения — это навигационная система, объединяющая в себе инерциальный измерительный блок (ИИБ) и астронавигационное устройство (астровизир) для определения и коррекции параметров движения объекта (летательного аппарата, ракеты, космического корабля) в условиях отсутствия сигналов спутниковой навигации или радиосвязи. Основной принцип работы заключается в том, что инерциальная система обеспечивает непрерывное вычисление координат, скорости и ориентации объекта на основе измерения ускорений и угловых скоростей, а астрокоррекция периодически уточняет эти данные путём наблюдения за положением звёзд, Солнца или других небесных тел. Это позволяет компенсировать накопленную со временем ошибку инерциальных датчиков (дрейф гироскопов и смещение акселерометров), обеспечивая высокую точность наведения на больших дистанциях и длительных интервалах времени.

История развития

Предпосылки создания

Инерциальные навигационные системы (ИНС) начали активно разрабатываться в середине XX века, в первую очередь для военных целей — управления баллистическими ракетами и подводными лодками. Первые ИНС обладали значительными недостатками: точность их работы напрямую зависела от качества гироскопов и акселерометров, а ошибки, вызванные дрейфом, накапливались квадратично со временем. Для межконтинентальных баллистических ракет (МБР) и стратегических бомбардировщиков, совершающих полёты длительностью в часы, это приводило к недопустимым отклонениям от цели.

Ранние астроинерциальные системы

Первые попытки интеграции астрономических наблюдений в инерциальную навигацию были предприняты в США и СССР в 1950-х годах. В США система «Нортроп» (Northrop) использовалась на стратегическом бомбардировщике B-52 Stratofortress, а в СССР — на бомбардировщиках Ту-95 и Ту-16. Однако эти системы были громоздкими, требовали ручного ввода данных и имели низкую степень автоматизации. Астрокоррекция производилась эпизодически, вручную, с помощью оптических секстантов, что снижало её эффективность.

Современный этап (1960-е — настоящее время)

Ключевой прорыв произошёл в 1960-х годах с появлением цифровых вычислительных машин и миниатюризацией электроники. В СССР разработкой астрокорректируемых ИНС (АКИНС) занимались в НИИ автоматики и приборостроения (ныне — АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»), а также в КБ «Арсенал» (Санкт-Петербург). Первой серийной советской системой такого типа стала «Астра-1», установленная на ракетах-носителях «Протон» и «Союз». В 1970-х годах АКИНС были внедрены на стратегических бомбардировщиках Ту-160 и Ту-22М3, а также на некоторых типах крылатых ракет (например, Х-55). В США аналогичные системы (например, LN-20 от Litton) использовались на бомбардировщиках B-1B Lancer и B-2 Spirit, а также на космических кораблях «Шаттл».

Принцип работы

Инерциальная подсистема

Инерциальный блок состоит из трёх ортогонально расположенных акселерометров (измеряющих линейное ускорение) и трёх гироскопов (измеряющих угловую скорость). На основе этих данных вычислитель интегрирует ускорения для получения скорости и положения (координат) объекта. Ошибки инерциальных датчиков (например, дрейф гироскопа в 0,01 градуса в час) приводят к тому, что через час полёта ошибка определения координат может достигать нескольких километров.

Астронавигационная подсистема

Астровизир (звёздный датчик) представляет собой оптико-электронное устройство, способное в автоматическом режиме опознавать звёзды по их спектральным характеристикам или взаимному расположению. В современных системах используются ПЗС-матрицы или КМОП-сенсоры, позволяющие наблюдать звёзды даже в условиях дневного неба или при облачности (за счёт узкополосных фильтров). Астровизир определяет угловые координаты (азимут и высоту) нескольких звёзд относительно корпуса объекта.

Процесс коррекции

Измерение: Астровизир фиксирует положение звёзд.
Сравнение: Вычислитель сравнивает измеренные координаты с эталонными (из бортового звёздного каталога) и рассчитывает текущую ориентацию объекта в инерциальной системе координат.
Коррекция: Полученные данные о точной ориентации используются для пересчёта ускорений, измеренных акселерометрами, в навигационные координаты. Одновременно вычисляется поправка к положению объекта (например, по методу наименьших квадратов). Эта поправка вводится в фильтр Калмана, который сглаживает ошибки и обновляет навигационное решение.
Цикл: Процесс повторяется с заданной периодичностью (от нескольких секунд до десятков минут).

Классификация

По типу объекта

Авиационные: для самолётов стратегической авиации (Ту-160, B-52) и беспилотных летательных аппаратов.
Ракетные: для МБР (например, Р-36М2 «Воевода», «Тополь-М») и крылатых ракет (Х-101, «Калибр»).
Космические: для ракет-носителей (Союз-2, «Протон-М») и космических аппаратов (например, системы «ГЛОНАСС» на спутниках).
Морские: для подводных лодок (проекты 955 «Борей», 667БДРМ «Дельфин») и надводных кораблей.

По способу коррекции

Непрерывная: астровизир работает постоянно, обеспечивая коррекцию с высокой частотой (характерно для космических аппаратов).
Периодическая: коррекция производится через заданные интервалы времени (например, каждые 10–30 минут для МБР).
Аварийная: используется только при потере связи со спутниковой навигацией (GPS/ГЛОНАСС).

Устройство и компоненты

Инерциальный измерительный блок (ИИБ)

Современные ИИБ строятся на основе:

Лазерных гироскопов (RLG) — обеспечивают точность дрейфа до 0,001°/ч.
Волоконно-оптических гироскопов (FOG) — более компактные, но менее точные (0,01–0,1°/ч).
Микроэлектромеханических систем (МЭМС) — используются в дешёвых БПЛА, но имеют высокий дрейф (1–10°/ч).

Астровизир (звёздный датчик)

Основные характеристики:

Поле зрения: от 1° × 1° до 10° × 10°.
Чувствительность: до звёзд 6-й звёздной величины.
Время захвата: от 0,1 до 2 секунд.
Точность: до 1 угловой секунды (0,0003°).

Бортовая вычислительная машина (БЦВМ)

Реализует алгоритмы фильтрации (фильтр Калмана), коррекции и управления. В современных системах используются процессоры с архитектурой PowerPC, ARM или отечественные «Эльбрус» (например, «Эльбрус-90Микро»).

Применение

Военное

Стратегическая авиация: АКИНС обеспечивает точное наведение на цели при полётах в условиях радиопомех и отсутствия спутниковой навигации. Например, на бомбардировщике Ту-160 система «Н-001» (разработка НПО «Астрофизика») позволяет выходить на цель с круговым вероятным отклонением (КВО) менее 100 метров после 10-часового полёта.
Баллистические ракеты: Для МБР астрокоррекция критически важна на активном участке траектории (первые минуты полёта), когда радиосвязь с наземными станциями невозможна. Системы «Астра-1» и «Астра-2» на ракетах «Тополь-М» и «Ярс» обеспечивают КВО порядка 200–300 метров.
Крылатые ракеты: В ракетах Х-101 и «Калибр» АКИНС используется в комбинации с цифровой картой местности (коррекция по рельефу) для полёта на малых высотах.

Гражданское

Космическая навигация: На ракетах-носителях «Союз-2» и «Протон-М» АКИНС обеспечивает точность выведения полезной нагрузки на орбиту с отклонением в несколько километров. На космических аппаратах (например, «Ресурс-П» или «Электро-Л») астрокоррекция используется для стабилизации ориентации и точного наведения приборов.
Авиация: В гражданской авиации АКИНС применяются редко из-за высокой стоимости и наличия альтернатив (GPS/ГЛОНАСС). Однако на некоторых дальнемагистральных самолётах (например, Ил-96-300) они устанавливаются как резервные системы.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Автономность: Не требует внешних сигналов (радио, спутники), что делает систему устойчивой к помехам и глушению.
Высокая точность: При периодической коррекции ошибка накопления составляет менее 1 км за 10 часов полёта.
Надёжность: Работает в любых погодных условиях и в любое время суток (при условии видимости звёзд).

Недостатки

Зависимость от видимости звёзд: В облачную погоду или при полёте в плотных слоях атмосферы астровизир может быть неэффективен. Для решения этой проблемы используются инфракрасные датчики или комбинирование с другими методами коррекции.
Сложность и стоимость: АКИНС значительно дороже обычных ИНС (в 2–5 раз) из-за необходимости точной оптики, калибровки и мощных вычислителей.
Масса и габариты: Типичная авиационная АКИНС весит 30–50 кг, что ограничивает её применение на малых БПЛА.

Интересные факты

Первая в мире полностью автоматическая астрокорректируемая система была создана в СССР в 1967 году для ракеты-носителя «Протон-К». Она позволяла корректировать траекторию на высоте более 100 км, где атмосферные помехи минимальны.
В 1980-х годах на бомбардировщике B-2 Spirit (США) использовалась АКИНС, способная работать при полёте на высоте 15 км со скоростью 0,95 Маха, корректируя курс по звёздам, видимым через специальные люки в фюзеляже.
В 2010-х годах в России была разработана система «Бриз-М» для ракет-носителей «Протон-М», которая использует астрокоррекцию для точного выведения спутников на геостационарную орбиту с отклонением менее 1 км.

Источники

Авиационные приборы и навигационные системы: Учебник / Под ред. В. А. Боднера. — М.: Машиностроение, 2004.
Разработка астрокорректируемых инерциальных систем наведения для ракет-носителей // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. — 2015. — № 3.
Гироскопические системы: Учебное пособие / В. В. Матвеев. — СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012.
Астрокоррекция в инерциальных навигационных системах // Труды ЦНИИ «Электроприбор». — 2018. — Т. 64.
Техническое описание системы наведения ракеты «Тополь-М» // Открытые публикации Минобороны РФ, 2020.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →