Инерциальная навигационная система

Инерциальная навигационная система (ИНС) — это автономное навигационное устройство, определяющее параметры движения (координаты, скорость, ориентацию в пространстве) объекта, на котором оно установлено, исключительно на основе измерения собственных ускорений и угловых скоростей, без обращения к внешним источникам информации (спутниковым сигналам, радиомаякам, астрономическим ориентирам). ИНС относится к классу систем счисления пути (dead reckoning) и является ключевым элементом управления движением в авиации, ракетной технике, морском флоте и робототехнике. Основным свойством ИНС является полная автономность, что делает её незаменимой в условиях отсутствия или подавления внешних навигационных полей.

Принцип действия

Работа ИНС основана на законах классической механики Ньютона. Система измеряет с помощью акселерометров проекции кажущегося ускорения (разности между абсолютным ускорением и гравитационным притяжением) на оси чувствительности прибора, а с помощью гироскопов — угловые скорости поворота объекта относительно инерциального пространства. Затем бортовой вычислитель выполняет интегрирование этих измерений:

• Одно интегрирование ускорения даёт приращение линейной скорости за малый интервал времени.
• Второе интегрирование даёт приращение координат.
• Интегрирование угловой скорости даёт текущие углы ориентации (крен, тангаж, курс).

Для корректного вычисления траектории необходимо знать начальные условия (стартовые координаты, скорость и ориентацию), которые вводятся в систему перед началом работы. Абсолютные ошибки ИНС (долгота, широта, скорость) накапливаются со временем из-за ухода нуля акселерометров и дрейфа гироскопов, поэтому для длительных полётов ИНС часто корректируется по данным спутниковой навигации (GNSS) или других внешних систем.

История

Теоретические предпосылки

Идея навигации по инерции впервые была сформулирована французским математиком Пьером-Симоном Лапласом в конце XVIII века. Однако первые практические попытки относятся к началу XX века. В 1910 году немецкий инженер Герман Аншютц-Кемпфе предложил использовать гирокомпас для определения направления, но полного комплекса инерциальных измерений ещё не было.

Первые разработки

Значительный прогресс произошёл в годы Второй мировой войны. В Германии Вернер фон Браун и его команда разрабатывали систему наведения для баллистической ракеты «Фау-2» (V-2) на основе гироскопов и интеграторов ускорений. Эта система была одной из первых реализаций инерциального управления, хотя и крайне неточной.

После войны работы были продолжены в США и СССР. В 1950-е годы Массачусетский технологический институт (MIT) под руководством Чарльза Старка Дрейпера создал первую полностью функциональную ИНС для подводных лодок и самолётов. Система «Draper SPIRE» включала высокоточные гироскопы на газодинамической опоре.

Современный этап

В 1970–1980-х годах началось внедрение лазерных гироскопов (кольцевых лазеров) и волоконно-оптических гироскопов, что позволило значительно повысить точность и надёжность без движущихся частей. Электронная миниатюризация и появление микромеханических (MEMS) гироскопов в 1990-х годах сделали ИНС доступными для массового применения — от смартфонов и автомобильных навигаторов до беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

В России и СССР значительный вклад в развитие ИНС внесли такие учёные, как А.Ю. Ишлинский (теория гироскопов и инерциальной навигации) и В.А. Котельников (обработка сигналов в системах управления). Разработкой серийных отечественных ИНС занимались НИИ приборостроения имени В.В. Тихомирова и Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики (ЦНИИАГ).

Классификация

ИНС классифицируются по нескольким основным признакам.

По конструктивной схеме размещения чувствительных элементов

• Платформенные ИНС — гироскопы и акселерометры устанавливаются на стабилизированной платформе, которая с помощью следящих приводов разворачивается так, чтобы сохранять заданную ориентацию (например, параллельно осям географической системы координат). Такая конструкция механически «отвязывает» датчики от угловых движений объекта, упрощая вычисления, но требует сложных и громоздких сервоприводов.
• Бесплатформенные ИНС (БИНС) — датчики жёстко закреплены на корпусе объекта. Система вычисляет ориентацию платформы математически, используя алгоритмы численного интегрирования кватернионов или матриц направляющих косинусов. БИНС компактнее, дешевле и надёжнее, но требует более мощного вычислителя для компенсации вращательных эффектов.

По типу используемых датчиков

• Механические (роторные) гироскопы — классические гироскопы с вращающимся ротором на подшипниках (обычно газовых или жидкостных). Характеризуются высокой точностью, но большими габаритами, массой и энергопотреблением. Используются в основном на подводных лодках и стратегических бомбардировщиках.
• Оптические гироскопы:
• Кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ) — основаны на эффекте Саньяка: разность частот встречных световых волн в замкнутом резонаторе пропорциональна угловой скорости. Обладают высокой точностью, без движущихся частей.
• Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) — аналогичны КЛГ, но используют длинное волокно для увеличения чувствительности. Дешевле КЛГ, но несколько менее точны.
• Микромеханические (MEMS) гироскопы и акселерометры — выполнены по технологии микроэлектромеханических систем (кремниевые структуры с ёмкостными или пьезоэлектрическими сенсорами). Характеризуются низкой стоимостью, миниатюрностью (чипы размером несколько миллиметров), но высокой погрешностью (дрейф +10–100 °/ч). Широко применяются в смартфонах, игровых контроллерах, автомобилях.

По точности

• Навигационного класса (Error < 0.01 °/ч) — для стратегических ракет, атомных подводных лодок, тяжёлых самолётов. Стоимость — десятки миллионов рублей.
• Тактического класса (Error 0.1–10 °/ч) — для истребителей, ракет средней дальности, торпед.
• Потребительского класса (Error > 10 °/ч) — для БПЛА, смартфонов, бытовой электроники. Стоимость — от нескольких сотен до нескольких тысяч рублей.

Устройство и основные компоненты

Типовая ИНС состоит из следующих элементов:

1. Блок чувствительных элементов (БЧЭ) — герметичный корпус, содержащий три акселерометра и три гироскопа, оси чувствительности которых ортогональны друг другу (инерциальная система координат). В платформенных системах БЧЭ размещается на стабилизированной платформе.
2. Вычислитель (ЦВМ) — специализированный микропроцессор или цифровой сигнальный процессор (DSP), выполняющий алгоритмы навигации (интегрирование, коррекцию ошибок, калибровку).
3. Блок питания — обеспечивает стабилизированные напряжения для датчиков и вычислителя. Для прецизионных систем требуется питание с малыми пульсациями.
4. Интерфейс связи — обычно стандарты ARINC 429, MIL-STD-1553, RS-485 или Ethernet для передачи навигационной информации (позиция, скорость, углы) в систему управления объектом.
5. Система термостатирования — для поддержания постоянной температуры датчиков (особенно актуально для КЛГ и ВОГ) с целью минимизации температурного дрейфа.

Применение

Авиация и космонавтика

ИНС являются основным средством навигации на всех современных самолётах (включая российские Су-30, МиГ-29, пассажирские МС-21, «Сухой Суперджет-100») и космических аппаратах. На ракетах-носителях (например, «Протон-М», «Союз-2») ИНС обеспечивает выведение на опорную орбиту. Для пилотируемых кораблей (например, «Орёл») ИНС дублируется звёздными датчиками для коррекции.

Морская навигация

На подводных лодках и надводных кораблях устанавливаются высокоточные платформенные ИНС, способные работать автономно в течение нескольких недель. В российском флоте используются ИНС типа «Скиф» и «Меридиан».

Ракетная и артиллерийская техника

ИНС задают траекторию полёта всех типов ракет (зенитных, противокорабельных, тактических, межконтинентальных). Например, российская крылатая ракета «Калибр» использует ИНС с коррекцией по рельефу местности и спутниковой навигацией.

Наземный транспорт

В автомобилях (премиум-сегмент) ИНС применяется для повышения точности навигации в тоннелях и паркингах. В беспилотных автомобилях (например, Яндекс.Такси) ИНС используется совместно с лидарами и камерами.

Промышленность и робототехника

ИНС (чаще всего MEMS) интегрируются в экзоскелеты, промышленные манипуляторы, агроботов для точного позиционирования в отсутствие GPS.

Достоинства и недостатки

Интересные факты

• Первый успешный полёт самолёта с инерциальной системой наведения состоялся в феврале 1953 года на самолёте North American X-10.
• Точность современных ИНС тактического класса позволяет самолёту пролететь без коррекции по GNSS расстояние от Москвы до Санкт-Петербурга с ошибкой в координатах, не превышающей нескольких сотен метров.
• В микроэлектронике MEMS-гироскопы (например, MPU-6050) стоят менее 1 доллара США, но позволяют смартфону точно знать, перевёрнут ли экран.

Источники

• Ишлинский А.Ю. «Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация». — М.: Наука, 1976.
• Лорд М. «Инерциальные навигационные системы: теория и практика». — Springer, 2018.
• Titterton D., Weston J. «Strapdown Inertial Navigation Technology». — 2nd ed., Institution of Electrical Engineers, 2004.
• Голубев Ю.К. «Теория гироскопов и гироскопических приборов». — М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.
• НИИ приборостроения имени В.В. Тихомирова (официальные технические описания систем).
• ГОСТ Р 52070-2003 «Системы инерциальные навигационные. Общие технические требования».