Инерциальные навигационные системы¶

Инерциальная навигационная система (ИНС) — автономное навигационное устройство, определяющее параметры движения объекта (координаты, скорость, ориентацию в пространстве) путем измерения его ускорения и угловой скорости без обращения к внешним источникам информации (спутниковым сигналам, радиомаякам, астроориентирам). Принцип работы основан на свойствах инерции и законах классической механики.

¶Принцип действия

ИНС использует акселерометры (датчики линейного ускорения) и гироскопы (датчики угловой скорости). Акселерометры измеряют кажущееся ускорение, которое представляет собой сумму гравитационного и динамического ускорений объекта. Для корректного расчета положения из показаний акселерометров необходимо вычесть вектор гравитации, что требует точного знания ориентации прибора в пространстве, которую обеспечивают гироскопы.

Вычислительный блок системы интегрирует сигналы датчиков по времени:

• интегрирование ускорения дает скорость;
• повторное интегрирование скорости дает координаты;
• интегрирование угловой скорости дает углы ориентации (крен, тангаж, рыскание).

¶Классификация

По конструктивному исполнению различают два основных типа ИНС:

• Платформенные системы — датчики размещаются на стабилизированной платформе, которая механически (с помощью сервоприводов) сохраняет заданную ориентацию в инерциальном пространстве. Обеспечивают высокую точность, но отличаются сложностью, большими габаритами и массой. Используются преимущественно на подводных лодках, тяжелых самолетах и баллистических ракетах.
• Бесплатформенные системы (БИНС) — датчики жестко закреплены на корпусе объекта, а их ориентация рассчитывается математически вычислительным устройством. Такие системы компактнее, дешевле и надежнее платформенных, хотя уступают им в точности. В настоящее время БИНС доминируют в большинстве применений.

По типу используемых датчиков выделяют лазерные, волоконно-оптические, микромеханические (MEMS) и другие системы.

¶Основные компоненты

• Акселерометры — измеряют проекции кажущегося ускорения на оси чувствительности. Современные датчики могут быть емкостными, пьезоэлектрическими, микромеханическими.
• Гироскопы — определяют угловые скорости вращения объекта. Различают механические (роторные), лазерные (кольцевые лазерные гироскопы), волоконно-оптические и микромеханические гироскопы.
• Вычислитель — процессор, выполняющий алгоритмы навигации, коррекции и фильтрации данных.
• Блок питания и система синхронизации времени.

¶Ошибки и их компенсация

Главный недостаток ИНС — накопление ошибок со временем. Поскольку координаты получаются двойным интегрированием ускорения, даже малые погрешности датчиков (смещение нуля, дрейф гироскопа) приводят к неограниченному росту ошибки определения положения. Типичные ошибки современных БИНС составляют от 0,5 до 5 морских миль за час работы в зависимости от класса датчиков.

Для ограничения ошибок применяются:

• Коррекция по внешним источникам — наиболее распространено сочетание ИНС с глобальными навигационными спутниковыми системами (ГЛОНАСС, GPS). Спутниковый сигнал периодически корректирует показания ИНС, а ИНС, в свою очередь, обеспечивает непрерывность навигации при потере сигнала.
• Калибровка датчиков перед использованием.
• Использование высокоточных датчиков (лазерные и волоконно-оптические гироскопы).

¶Применение

ИНС применяются в отраслях, где требуется автономность и помехозащищенность:

• Авиация — навигация самолетов и вертолетов, включая системы автоматического управления полетом.
• Ракетно-космическая техника — управление баллистическими ракетами, ракетами-носителями и космическими аппаратами.
• Морской флот — навигация кораблей и подводных лодок, в том числе в подводном положении, где спутниковая навигация недоступна.
• Сухопутная техника — навигация бронетехники, систем артиллерийской разведки.
• Беспилотные летательные аппараты — стабилизация и навигация.
• Автомобильный транспорт — в составе комбинированных навигационных систем для тоннелей и городских застроек.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам ИНС относятся полная автономность (не зависит от внешних сигналов), помехозащищенность, высокая частота выдачи данных и способность определять полный набор навигационных параметров, включая ориентацию объекта.

Недостатки — неограниченный рост ошибок во времени, высокая стоимость точных систем, чувствительность к вибрациям и температурным воздействиям.

¶Источники

• Анучин О. Н., Емельянцев Г. И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов.
• Бромберг П. В. Теория инерциальных систем навигации.
• ГОСТ Р 56410-2015. Глобальная навигационная спутниковая система. Комплексы средств навигации.