Система управления движением и навигации¶

Система управления движением и навигации — это совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для определения местоположения, планирования траектории, контроля и автоматического или автоматизированного управления перемещением подвижного объекта (транспортного средства, летательного аппарата, судна, робота, беспилотного аппарата) в пространстве. Такие системы интегрируют данные от навигационных сенсоров, датчиков состояния и внешней среды, обрабатывают их в реальном времени и формируют управляющие команды для исполнительных механизмов (рулей, двигателей, тормозов). Основная цель — обеспечение безопасного, точного и эффективного движения по заданному маршруту или в заданном коридоре.

¶История развития

Развитие систем управления движением и навигации тесно связано с прогрессом в области авиации, морского дела, космонавтики и автомобилестроения. Первые навигационные системы, такие как магнитный компас (Китай, IX век) и секстант (XVIII век), позволяли определять направление и координаты, но не обеспечивали автоматического управления.

В начале XX века с появлением авиации возникла необходимость в пилотажно-навигационных приборах — авиагоризонтах, гирокомпасах, радиопеленгаторах. В 1930-х годах начали внедряться автопилоты, которые поддерживали заданный курс, высоту и скорость без участия пилота. Первый промышленный автопилот для самолётов был создан компанией Sperry Corporation (США) в 1914 году.

Во время Второй мировой войны и после неё активно развивались радионавигационные системы (LORAN, DECCA, VOR/DME), а в 1960-х годах — инерциальные навигационные системы (ИНС), использующие гироскопы и акселерометры. В 1970-х годах в СССР была создана спутниковая навигационная система ГЛОНАСС, а в США — GPS (NAVSTAR). С 1990-х годов спутниковые системы стали основой для большинства наземных, воздушных и морских навигационных решений.

В XXI веке развитие получили системы автоматического управления движением (АСУД) для городского транспорта, системы автопилотирования для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а также системы автономного вождения для автомобилей. В России активно внедряются интеллектуальные транспортные системы (ИТС) на базе ГЛОНАСС и технологий «Умный город».

¶Классификация

Системы управления движением и навигации классифицируются по нескольким признакам.

¶По типу подвижного объекта

• Авиационные системы — для самолётов, вертолётов, БПЛА. Включают автопилоты, системы управления полётом (FMS), системы предупреждения столкновений (TCAS).
• Морские и речные системы — для судов, кораблей, подводных аппаратов. Включают авторулевые, системы динамического позиционирования, электронно-картографические системы (ECDIS).
• Автомобильные системы — для легковых и грузовых автомобилей, автобусов. Включают круиз-контроль, адаптивный круиз-контроль, системы помощи водителю (ADAS), системы автономного вождения.
• Железнодорожные системы — для поездов, локомотивов. Включают системы автоматического управления торможением (АСУТ), системы интервального регулирования, автоведения.
• Космические системы — для космических аппаратов, ракет-носителей. Включают системы ориентации, стабилизации, коррекции орбиты.

¶По степени автоматизации

• Ручное управление — оператор (пилот, водитель, капитан) полностью управляет объектом, система лишь предоставляет навигационную информацию.
• Автоматизированное управление — система выполняет часть функций (например, удержание курса или скорости), но оператор остаётся в контуре управления.
• Автоматическое управление — система самостоятельно выполняет все операции по движению и навигации в заданном режиме (например, автопилот на крейсерском участке полёта).
• Автономное управление — система принимает решения и управляет объектом без участия человека на всех этапах движения (например, беспилотные автомобили, БПЛА, подводные аппараты).

¶По принципу навигации

• Спутниковые навигационные системы — используют сигналы глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS, BeiDou, Galileo). Обеспечивают определение координат с точностью от нескольких метров до сантиметров (в дифференциальном режиме).
• Инерциальные навигационные системы (ИНС) — автономные системы, определяющие положение и ориентацию объекта путём интегрирования показаний акселерометров и гироскопов. Не зависят от внешних сигналов, но подвержены накоплению ошибок.
• Радионавигационные системы — используют радиомаяки (VOR, DME, LORAN, РСБН). Применяются в авиации и на море как резервные или дополняющие средства.
• Магнитометрические и гравитационные системы — основаны на измерении магнитного поля Земли или гравитационных аномалий. Используются в специальных целях (например, для подводных аппаратов).
• Оптические и лазерные системы — используют камеры, лидары, лазерные дальномеры для построения карты местности и определения положения относительно ориентиров. Применяются в автономных автомобилях и роботах.
• Комбинированные (интегрированные) системы — объединяют данные от нескольких типов навигационных сенсоров (например, спутниковой и инерциальной систем) для повышения точности и надёжности. Наиболее распространены в авиации и на транспорте.

¶Устройство и компоненты

Типовая система управления движением и навигации включает следующие основные компоненты:

• Навигационные сенсоры — приёмники спутниковых сигналов (ГЛОНАСС/GPS), инерциальные измерительные блоки (IMU), магнитометры, барометрические высотомеры, доплеровские измерители скорости, лидары, радары, камеры.
• Датчики состояния объекта — датчики скорости вращения колёс, угла поворота руля, положения рулевых поверхностей, оборотов двигателя, температуры, давления.
• Вычислительный блок (процессор) — бортовой компьютер или контроллер, выполняющий алгоритмы навигации (фильтрация Калмана, счисление пути, коррекция) и управления (ПИД-регуляторы, адаптивное управление, нейросетевые алгоритмы).
• Программное обеспечение — операционная система реального времени, драйверы сенсоров, алгоритмы обработки данных, модули планирования маршрута, управления движением, диагностики.
• Исполнительные механизмы — сервоприводы, электродвигатели, гидравлические и пневматические приводы, рулевые машины, тормозные системы, дроссельные заслонки.
• Интерфейс оператора — дисплей, пульт управления, органы индикации (в автоматизированных системах) или отсутствует (в полностью автономных системах).
• Каналы связи — для получения внешних данных (дифференциальные поправки, метеоинформация, команды диспетчера) и передачи телеметрии.

¶Применение

¶Авиация

В гражданской и военной авиации системы управления движением и навигации являются обязательными. Современные самолёты оснащены комплексными системами управления полётом (FMS), которые автоматически прокладывают маршрут, управляют двигателями и рулями, выводят навигационную информацию на дисплеи в кабине. Системы автоматического захода на посадку (ILS, MLS) позволяют выполнять посадку в условиях ограниченной видимости. В России широко используется спутниковая система ГЛОНАСС для навигации воздушных судов.

¶Морской и речной транспорт

На судах применяются интегрированные мостиковые системы (Integrated Bridge System, IBS), объединяющие навигационные приборы, авторулевой, систему управления движением, картплоттер и радар. Системы динамического позиционирования (DP) позволяют удерживать судно в заданной точке без якоря. Для внутренних водных путей России разработаны системы на базе ГЛОНАСС и электронных карт.

¶Автомобильный транспорт

В легковых автомобилях системы управления движением представлены адаптивным круиз-контролем, системами удержания в полосе, автоматического экстренного торможения, а также системами автономного вождения (уровни 2–4 по классификации SAE). В грузовых автомобилях и автобусах применяются системы контроля усталости водителя, системы предупреждения столкновений, а также системы автоматического управления движением в колонне (платунинг). В России активно развиваются интеллектуальные транспортные системы (ИТС) для управления дорожным движением в городах.

¶Железнодорожный транспорт

На железных дорогах используются системы автоматической локомотивной сигнализации (АЛС), системы управления торможением (АСУТ), системы автоведения (например, система «Автомашинист» на Московском центральном кольце). В метрополитенах внедряются системы автоматического управления движением поездов (АУДП) без машиниста.

¶Беспилотные аппараты

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА), беспилотные автомобили, подводные и надводные аппараты оснащаются полностью автономными системами управления движением и навигации. Они используют комбинацию спутниковой навигации, инерциальных систем, компьютерного зрения и лидаров для построения маршрута, обхода препятствий и выполнения миссии.

¶Примеры систем

• ГЛОНАСС — российская глобальная навигационная спутниковая система, обеспечивающая определение координат и времени на всей территории Земли. Развёрнута в 1993 году, полностью укомплектована орбитальной группировкой в 2010-х годах.
• GPS (NAVSTAR) — американская система спутниковой навигации, разработанная Министерством обороны США. Полностью функциональна с 1995 года.
• ERAM (En Route Automation Modernization) — американская система управления воздушным движением на маршруте, используемая Федеральным управлением гражданской авиации США.
• Терминал-Т — российская система управления движением поездов на железнодорожных станциях, разработанная ОАО «РЖД».
• Waymo — система автономного вождения компании Waymo (США), использующая лидары, радары и камеры для управления автомобилем без водителя.
• «Автопилот» — система управления движением для БПЛА, разработанная российской компанией ZALA AERO (входит в концерн «Калашников»).

¶Интересные факты

• Первый в мире автопилот для самолёта был создан в 1914 году Лоуренсом Сперри и Элмером Сперри. Он использовал гироскопы для стабилизации курса и крена.
• В 1970-х годах в СССР для управления движением космических аппаратов использовались вычислительные машины «Аргон» и «Салют», которые обрабатывали данные с инерциальных систем и звёздных датчиков.
• Современные системы управления движением в автомобилях обрабатывают до 1 терабайта данных в час (с камер и лидаров).
• В России система ГЛОНАСС является обязательной для оснащения всех транспортных средств, используемых для перевозки пассажиров и опасных грузов, с 2015 года.

¶Критика и ограничения

Основные недостатки систем управления движением и навигации связаны с уязвимостью к помехам и сбоям. Спутниковые системы могут быть подвержены глушению или спуфингу (подмене сигнала). Инерциальные системы накапливают ошибки со временем. Оптические системы (камеры, лидары) зависят от погодных условий (туман, дождь, снег). Высокая стоимость и сложность интеграции также ограничивают их применение на массовом транспорте. В России отмечается проблема недостаточного покрытия высокоточными дифференциальными станциями ГЛОНАСС в удалённых регионах.