Бесплатформенная инерциальная навигационная система

Бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) — это автономная навигационная система, определяющая параметры движения объекта (координаты, скорость, углы ориентации) без использования внешних ориентиров или сигналов, путем интегрирования показаний инерциальных датчиков, установленных непосредственно на корпусе объекта, без применения физической гиростабилизированной платформы. В отличие от платформенных инерциальных систем, где датчики размещены на механически стабилизированной в инерциальном пространстве платформе, в БИНС датчики жестко связаны с корпусом объекта, а их ориентация вычисляется математически с помощью бортового вычислителя.

Принцип действия

Основу БИНС составляют три акселерометра и три гироскопа, установленные ортогонально друг другу (по осям X, Y, Z). Акселерометры измеряют проекции кажущегося ускорения (суммы гравитационного и кинематического ускорений) на оси чувствительности, жестко связанные с корпусом объекта. Гироскопы (лазерные, волоконно-оптические, микромеханические или динамически настраиваемые) измеряют угловые скорости вращения объекта относительно инерциального пространства.

Бортовой вычислитель решает навигационную задачу в два этапа:

Вычисление ориентации. На основе показаний гироскопов и предыдущего значения матрицы направляющих косинусов (или кватерниона ориентации) непрерывно обновляется текущая ориентация связанной системы координат относительно инерциальной или географической системы координат.
Вычисление навигационных параметров. Показания акселерометров, преобразованные в географическую систему координат с помощью вычисленной матрицы ориентации, освобождаются от гравитационной составляющей. Полученное истинное ускорение объекта однократно интегрируется для получения скорости и двукратно — для получения координат.

История развития

Идея бесплатформенной навигации возникла в середине XX века, но её реализация стала возможна только с появлением достаточно мощных и компактных бортовых вычислителей. Первые экспериментальные образцы БИНС появились в 1960–1970-х годах в США и СССР. В СССР разработкой занимались ведущие научные центры, включая Институт проблем управления РАН, ЦНИИ «Электроприбор» (Санкт-Петербург) и НПЦ автоматики и приборостроения (Москва). Ключевым прорывом стало создание лазерных гироскопов в 1970-х годах, которые обеспечили высокую точность при отсутствии механических подвижных частей. В 1980-х годах БИНС начали внедряться в авиацию (самолёты МиГ-29, Су-27), а затем и в ракетную технику. С 1990-х годов, с развитием микроэлектромеханических систем (МЭМС), появились малогабаритные и недорогие БИНС для гражданского применения.

Классификация

БИНС классифицируются по нескольким признакам.

По типу используемых гироскопов

Лазерные БИНС. Используют кольцевые лазерные гироскопы. Обеспечивают высочайшую точность, но имеют большие габариты и стоимость. Применяются в стратегической авиации, баллистических ракетах, подводных лодках.
Волоконно-оптические БИНС. Используют волоконно-оптические гироскопы (ВОГ). Менее точны, чем лазерные, но компактнее, устойчивее к вибрациям и дешевле. Широко применяются в тактической авиации, беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), морских судах.
Микромеханические БИНС (МЭМС). Используют кремниевые микрогироскопы и микроакселерометры. Отличаются малыми размерами, низким энергопотреблением и низкой стоимостью, но имеют значительные погрешности (дрейф). Применяются в автомобильной навигации, смартфонах, фитнес-трекерах, недорогих БПЛА.
Динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ). Используют роторные гироскопы с упругим подвесом. Занимают промежуточное положение по точности и стоимости.

По точности

Стратегического класса. Погрешность определения координат менее 1 морской мили за час полёта (менее 1,8 км/ч).
Навигационного класса. Погрешность 1–10 морских миль в час (1,8–18 км/ч).
Тактического класса. Погрешность 10–50 морских миль в час.
Потребительского класса. Погрешность более 50 морских миль в час, часто требуют коррекции от спутниковых систем.

Устройство и компоненты

Типовая БИНС включает следующие основные компоненты:

Инерциальный измерительный блок (ИИБ) — герметичный корпус, в котором размещены три акселерометра и три гироскопа, установленные с высокой точностью взаимной ориентации. В современных системах ИИБ часто выполняется по технологии «инерциального датчика» на одном кристалле (для МЭМС) или в виде моноблока с прецизионной юстировкой.
Бортовой вычислитель — специализированный микропроцессор или цифровой сигнальный процессор (DSP), выполняющий алгоритмы навигации и коррекции. Обычно включает ПЗУ с программным обеспечением, ОЗУ для данных, интерфейсы ввода-вывода (RS-232, RS-422, CAN, Ethernet, MIL-STD-1553).
Блок питания — преобразователь напряжения бортовой сети в стабилизированные напряжения для датчиков и вычислителя.
Интерфейсный блок — обеспечивает связь с внешними системами (бортовой компьютер, система управления, приёмник спутниковой навигации, одометр, лаг).
Система термостатирования — для поддержания стабильной температуры внутри ИИБ, что критично для точности лазерных и волоконно-оптических гироскопов.

Применение

БИНС находят применение в широком спектре задач, где требуется автономная навигация.

Военная и авиационная техника

Авиация. БИНС являются основными навигационными системами на всех современных самолётах и вертолётах (включая истребители Су-57, Су-35, вертолёты Ми-28Н, Ка-52). Обеспечивают полёт в условиях отсутствия спутникового сигнала и в зонах радиоэлектронной борьбы.
Ракетная техника. Используются в системах управления баллистических ракет (например, «Тополь-М», «Ярс»), крылатых ракет («Калибр», «Х-101»), зенитных ракет и ракет-носителей.
Морская техника. Применяются на подводных лодках, надводных кораблях и морских беспилотных аппаратах для точного определения курса и координат при длительном автономном плавании.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА). БИНС обеспечивают навигацию БПЛА в условиях подавления спутниковых сигналов, особенно в тактических и разведывательных аппаратах.

Гражданская сфера

Авиация. БИНС используются в качестве резервных навигационных систем на коммерческих авиалайнерах (Airbus, Boeing) и в системах управления воздушным движением.
Автомобильная навигация. МЭМС-БИНС применяются в системах навигации автомобилей, особенно в тоннелях, паркингах и городских каньонах, где сигнал GPS/ГЛОНАСС слаб или отсутствует.
Судоходство. БИНС используются на яхтах, торговых судах и буровых платформах для автономной навигации и стабилизации.
Геодезия и картография. Высокоточные БИНС применяются для определения координат при аэрофотосъёмке и лазерном сканировании.
Робототехника. БИНС входят в состав систем управления мобильными роботами, экзоскелетами, автономными транспортными средствами.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Полная автономность. Не требуют внешних сигналов (спутниковых, радиомаяков), что делает их устойчивыми к помехам и глушению.
Высокая частота обновления данных. Обычно 100–2000 Гц, что позволяет использовать их в системах управления с быстрой динамикой (ракеты, самолёты).
Независимость от погоды и времени суток. Работают в любых климатических условиях.
Отсутствие механических подвижных частей (в лазерных, ВОГ и МЭМС-БИНС), что повышает надёжность и ресурс.
Компактность и малый вес (особенно у МЭМС-БИНС).

Недостатки

Наличие дрейфа. Погрешности интегрирования ускорений и угловых скоростей накапливаются со временем, что приводит к неограниченному росту ошибок определения координат. Требуется периодическая коррекция от внешних источников (GPS/ГЛОНАСС, одометр, магнитометр).
Высокая стоимость высокоточных систем (лазерные, ВОГ).
Чувствительность к вибрациям и ударам (особенно у МЭМС-БИНС), что требует специальных методов фильтрации и демпфирования.
Необходимость начальной выставки (определения начального положения и ориентации) перед началом работы, что может занимать от нескольких секунд до нескольких минут.

Интересные факты

Первая в мире серийная БИНС для авиации была создана в США компанией Honeywell в 1970-х годах (система H-423).
В СССР первая БИНС для истребителя МиГ-29 была разработана в НПЦ автоматики и приборостроения (Москва) и принята на вооружение в 1984 году.
Современные лазерные гироскопы в БИНС стратегического класса имеют дрейф менее 0,001 градуса в час, что позволяет подводной лодке определять своё положение с точностью до нескольких километров после месяца автономного плавания.
Микромеханические БИНС, используемые в смартфонах, имеют дрейф порядка 10–100 градусов в час и не пригодны для навигации без коррекции от GPS/ГЛОНАСС.
В России разработкой и производством БИНС занимаются такие предприятия, как АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (Санкт-Петербург), АО «НПЦ автоматики и приборостроения» (Москва), АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» (Раменское), АО «Уральский оптико-механический завод» (Екатеринбург).

Источники

Анучин О. Н., Емельянцев Г. И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. — СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003.
Бромберг П. В. Теория инерциальных навигационных систем. — М.: Наука, 1979.
Голован А. А., Парусников Н. А. Математические основы навигационных систем. — М.: МГУ, 2011.
Дмитриев С. П. Высокоточная инерциальная навигация. — СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2004.
Ландау И. М., Лурье Б. Я. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы. — М.: Машиностроение, 1989.
Материалы сайта АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (раздел «Инерциальные навигационные системы»).
Материалы сайта АО «НПЦ автоматики и приборостроения» (раздел «Продукция»).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →