Инерциальная система наведения

Инерциальная система наведения — это автономная система управления движением объекта, определяющая его текущие координаты, скорость и ориентацию в пространстве исключительно на основе измерения собственного ускорения и угловых скоростей, без использования внешних источников информации (спутниковых сигналов, радиомаяков, астрономических ориентиров). Основой работы является принцип инерции, а ключевым элементом — инерциальный измерительный блок (ИИБ), состоящий из акселерометров и гироскопов.

Принцип действия

Инерциальная система наведения (ИНС) функционирует методом счисления пути (dead reckoning). Начальные параметры движения — координаты, скорость и углы ориентации (крен, тангаж, рыскание) — задаются в систему перед стартом. В процессе движения акселерометры измеряют линейные ускорения объекта в связанной с ним системе координат, а гироскопы — угловые скорости вращения. Бортовой вычислитель (навигационный компьютер) интегрирует эти данные по времени:

• Интегрирование угловых скоростей позволяет определить текущую ориентацию объекта в пространстве.
• Ускорения, измеренные в связанной системе координат, с помощью полученных углов ориентации пересчитываются в неподвижную (инерциальную или географическую) систему координат.
• Интегрирование пересчитанных ускорений даёт приращение скорости, а повторное интегрирование — приращение координат.

Таким образом, система непрерывно вычисляет положение и скорость объекта относительно начальной точки. Погрешности, возникающие из-за дрейфа гироскопов, шумов акселерометров и ошибок начальной выставки, накапливаются со временем, что является главным недостатком инерциальных систем.

История

Ранние разработки

Идея использования инерции для навигации восходит к работам Леонардо да Винчи, однако практическая реализация стала возможной лишь с развитием точного машиностроения и электроники. Первые прототипы инерциальных систем были созданы в Германии в 1930-х годах. В 1942 году на ракете «Фау-2» (V-2) была установлена примитивная инерциальная система управления, использовавшая гироскопы для стабилизации и интегрирующий акселерометр для отключения двигателя по достижении заданной скорости.

Послевоенный период и холодная война

Значительный прогресс был достигнут в США и СССР в 1950–1960-х годах в связи с потребностями ракетной техники, авиации и подводного флота. В СССР разработкой систем занимались ведущие научные центры, в том числе Московский институт электромеханики и автоматики (МИЭА) и Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики (ЦНИИАГ). В 1957 году на баллистической ракете Р-7 была применена инерциальная система управления, обеспечившая точность, достаточную для вывода первых искусственных спутников Земли. В 1960-х годах американская система MIT Instrumentation Laboratory (ныне Draper Laboratory) обеспечила наведение космического корабля «Аполлон» на Луну.

Современный этап

С 1970-х годов началось внедрение лазерных гироскопов (кольцевых лазерных гироскопов), а затем волоконно-оптических гироскопов, что позволило значительно повысить точность и надёжность систем при снижении стоимости. С 1990-х годов активно развиваются микромеханические (MEMS) гироскопы и акселерометры, что привело к появлению компактных и дешёвых инерциальных систем для массового применения — в автомобилестроении, робототехнике, смартфонах.

Классификация

Инерциальные системы наведения классифицируются по нескольким признакам.

По типу платформы

• Платформенные системы (гиростабилизированные платформы). В таких системах чувствительные элементы (акселерометры и гироскопы) установлены на платформе, которая с помощью сервоприводов удерживается в заданной ориентации (например, в горизонте или в инерциальном пространстве) независимо от движений объекта. Это наиболее точные, но громоздкие и дорогие системы, применявшиеся на стратегических бомбардировщиках, баллистических ракетах и подводных лодках.
• Бесплатформенные системы (БИНС). В них чувствительные элементы жёстко закреплены на корпусе объекта. Ориентация вычисляется математически с помощью бортового компьютера. БИНС компактнее, дешевле и надёжнее платформенных, но уступают им в точности при длительной работе. В настоящее время являются основным типом для большинства применений.

По типу чувствительных элементов

• Механические гироскопы (роторные) — классические гироскопы с вращающимся маховиком. Использовались в ранних платформенных системах.
• Оптические гироскопы (кольцевые лазерные, волоконно-оптические) — основаны на эффекте Саньяка. Отличаются высокой точностью и долговечностью.
• Микромеханические гироскопы (MEMS) — кремниевые структуры, измеряющие угловую скорость по изменению ёмкости или вибрации. Дешёвы, компактны, но менее точны.
• Акселерометры — по принципу действия делятся на маятниковые, кварцевые, ёмкостные, пьезоэлектрические, MEMS.

По точности

• Навигационные системы — высокая точность (погрешность менее 1 морской мили в час), используются на стратегических бомбардировщиках, подводных лодках, баллистических ракетах.
• Системы тактического класса — средняя точность (погрешность 1–10 морских миль в час), применяются на тактических ракетах, истребителях, беспилотных летательных аппаратах.
• Системы низкой точности — используются в автомобильной навигации, робототехнике, смартфонах.

Применение

Военная техника

Инерциальные системы наведения являются основным или резервным средством наведения для большинства типов ракетного оружия:

• Баллистические ракеты (межконтинентальные, средней дальности). В России это ракеты «Тополь», «Ярс», «Сармат». Системы обеспечивают наведение на начальном и среднем участках траектории.
• Крылатые ракеты (например, «Калибр», «Томагавк») — ИНС используется на маршевом участке полёта, часто в сочетании с коррекцией по рельефу местности (TERCOM) или спутниковой навигацией.
• Зенитные ракеты — на начальном участке полёта до захвата цели радиолокационной головкой самонаведения.
• Авиационные бомбы и ракеты класса «воздух-поверхность» — для наведения в условиях подавления спутниковой навигации.
• Торпеды — для подводной навигации, где GPS-сигнал недоступен.

Авиация и космонавтика

• Самолёты — ИНС является основным навигационным средством, особенно в условиях отсутствия радиосигналов. В российской авиации используются системы на базе лазерных гироскопов (например, БИНС-СП-1 на истребителях Су-35).
• Космические аппараты — для ориентации и коррекции орбиты, а также для наведения на этапе выведения.
• Ракеты-носители — обеспечивают выведение полезной нагрузки на заданную орбиту.

Гражданские применения

• Автомобильная навигация — в сочетании с GPS/ГЛОНАСС для повышения точности в тоннелях и городских каньонах.
• Робототехника — для навигации мобильных роботов, дронов, беспилотных автомобилей.
• Морская навигация — на крупных судах, где требуется высокая точность курса.
• Спортивные устройства и смартфоны — для подсчёта шагов, определения ориентации экрана, фитнес-трекинга.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Автономность — не требует внешних сигналов, что делает её неуязвимой для помех и глушения.
• Скрытность — не излучает энергию, не демаскирует объект.
• Высокая частота обновления данных (до 1000 Гц и выше).
• Устойчивость к внешним воздействиям — работает в любых погодных условиях, под водой, в космосе.

Недостатки

• Накопление ошибки со временем — точность снижается пропорционально времени работы.
• Высокая стоимость точных систем (лазерные гироскопы, платформенные системы).
• Необходимость начальной выставки — требуется время для определения начальной ориентации и координат.
• Чувствительность к вибрациям и ударам — особенно у MEMS-систем.

Интересные факты

• В 1970-х годах в СССР была разработана уникальная система «Шторм» для подводных лодок проекта 667БДР, обеспечивавшая точность навигации на уровне нескольких десятков метров после нескольких недель автономного плавания.
• Современные российские баллистические ракеты «Ярс» оснащаются бесплатформенными инерциальными системами на лазерных гироскопах, что позволило снизить массу и габариты системы управления по сравнению с платформенными аналогами.
• В 2018 году в России была испытана система наведения на базе квантовых гироскопов, использующих эффект сверхтекучести гелия, что обещает революционное повышение точности.

Источники

• «Теория и проектирование инерциальных навигационных систем» — под редакцией В.Д. Андреева, М.: Машиностроение, 1985.
• «Инерциальные навигационные системы» — А.Ю. Ишлинский, М.: Наука, 1976.
• «Современные инерциальные навигационные системы» — В.В. Матвеев, М.: Физматлит, 2010.
• «Бесплатформенные инерциальные навигационные системы» — В.И. Борзов, М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015.
• Материалы ЦНИИАГ (Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики), Москва.
• «Inertial Navigation Systems» — A. D. King, IEE Proceedings, 1992.