Инерциальная навигационная система

Инерциальная навигация

инерциальная навигационная система
Лазерная инерциальная навигационная система ЛИНС-100РС на МАКС-2009

Инерциальная навигация — метод навигации (определения координат и параметров движения различных объектов — судов, самолётов, ракет и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел, являющийся автономным, то есть не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов.

Неавтономные методы решения задач навигации основываются на использовании внешних ориентиров или сигналов (например, звёзд, маяков, радиосигналов и т. п.). Эти методы в принципе достаточно просты, но в ряде случаев не могут быть реализованы из-за отсутствия видимости или наличия помех для радиосигналов и т. п.

[1] Необходимость создания автономных навигационных систем явилась причиной возникновения инерциальной навигации.

Принцип действия[ | ]

Сущность инерциальной навигации состоит в определении ускорения объекта и его угловых скоростей с помощью установленных на движущемся объекте приборов и устройств, а по этим данным — местоположения (координат) этого объекта, его курса, скорости, пройденного пути и др., а также в определении параметров, необходимых для стабилизации объекта и автоматического управления его движением. Это осуществляется с помощью:

  1. датчиков линейного ускорения (акселерометров);
  2. гироскопических устройств, воспроизводящих на объекте систему отсчёта (например, с помощью гиростабилизированной платформы) и позволяющих определять углы поворота и наклона объекта, используемые для его стабилизации и управления движением.
  3. вычислительных устройств (ЭВМ), которые по ускорениям (путём их интегрирования) находят скорость объекта, его координаты и др. параметры движения;

Преимущества методов инерциальной навигации состоят в автономности, помехозащищённости и возможности полной автоматизации всех процессов навигации. Благодаря этому методы инерциальной навигации получают всё более широкое применение при решении проблем навигации надводных, подводных и воздушных судов, космических судов и аппаратов и других движущихся объектов.

История[ | ]

Принципы инерциальной навигации базируются на сформулированных ещё Ньютоном законах механики, которым подчиняется движение тел по отношению к инерциальной системе отсчёта (для движений в пределах Солнечной системы — по отношению к звёздам).

Разработка основ инерциальной навигации относится к 1930-м годам. Большой вклад в неё внесли: в СССР — Б. В. Булгаков, А. Ю. Ишлинский, Е. Б. Левенталь, , в Германии — (нем. Maximilian Schuler) и в США — Чарльз Дрейпер. Значительную роль в теоретических основах инерциальной навигации играет теория устойчивости механических систем, большой вклад в которую внесли российские математики А.М.Ляпунов и А.В.Михайлов.

Практическая реализация методов инерциальной навигации была связана со значительными трудностями, вызываемыми необходимостью обеспечить высокую точность и надёжность работы всех устройств при заданных габаритах и весе.

Преодоление этих трудностей становится возможным благодаря созданию специальных технических средств — инерциальных навигационных систем (ИНС). Первые полноценные ИНС были разработаны в США и в СССР в начале 1950-х гг.

Так, аппаратура первой американской ИНС (в том числе навигационная ЭВМ) конструктивно была выполнена в виде нескольких ящиков внушительных размеров и, занимая почти весь салон самолёта, впервые была испытана во время перелёта в Лос-Анджелес, автоматически ведя самолёт по маршруту.

Инерциальные навигационные системы[ | ]

Инерциальная навигационная система БР S3 (Франция).

Инерциальные навигационные системы (ИНС) имеют в своём составе датчики линейного ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы или пары акселерометров, измеряющих центробежное ускорение).

С их помощью можно определить отклонение связанной с корпусом прибора системы координат от системы координат, связанной с Землёй, получив углы ориентации: рыскание (курс), тангаж и крен. Угловое отклонение координат в виде широты, долготы и высоты определяется путём интегрирования показаний акселерометров.

Алгоритмически ИНС состоит из курсовертикали и системы определения координат. Курсовертикаль обеспечивает возможность определения ориентации в географической системе координат, что позволяет правильно определить положение объекта. При этом в неё постоянно должны поступать данные о положении объекта.

Однако технически система, как правило, не разделяется и акселерометры, например, могут использоваться при выставке курсовертикальной части.

Инерциальные навигационные системы делятся на имеющие гиростабилизированную платформу платформенные (ПИНС) и бесплатформенные (БИНС).

В платформенных ИНС взаимосвязь блока измерителей ускорений и гироскопических устройств, обеспечивающих ориентацию акселерометров в пространстве, определяет тип инерциальной системы. Известны три основных типа платформенных инерциальных систем.

  1. Инерциальная система геометрического типа имеет две платформы. Одна платформа с гироскопами ориентирована и стабилизирована в инерциальном пространстве, а вторая с акселерометрами — относительно плоскости горизонта. Координаты объекта определяются в вычислителе с использованием данных о взаимном расположении платформ. Обладает высокой точностью позиционирования относительно поверхности планеты (например Земли), но неудовлетворительно работает на высокоманевренных аппаратах и в космическом пространстве. Применяется, в основном, на самолётах с большой дальностью полёта (гражданские, военно-транспортные, стратегические бомбардировщики), подводных лодках и крупных надводных кораблях.
  2. В инерциальных системах аналитического типа и акселерометры, и гироскопы неподвижны в инерциальном пространстве (относительно сколь угодно далёких звёзд или галактик). Координаты объекта получаются в вычислителе, обрабатывающем сигналы, поступающие с акселерометров и устройств-определителей поворота самого объекта относительно гироскопов и акселерометров. Обладает сравнительно невысокой точностью при движении у поверхности Земли, но хорошо работает на маневренных объектах (истребители, вертолеты, ракеты, скоростные маневренные надводные суда) и в космическом пространстве.
  3. Полуаналитическая система имеет платформу, которая непрерывно стабилизируется по местному горизонту. На платформе имеются гироскопы и акселерометры. Координаты самолёта или иного летательного аппарата определяются в вычислителе, расположенном вне платформы.
ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Сколько спутников глонасс

В БИНС акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора.Передовой технологией в производстве БИНС является технология волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), принцип действия которых основан на эффекте Саньяка.

БИНС на базе таких гироскопов не имеет подвижных частей, абсолютно бесшумна, механически сравнительно прочна, не требует специального обслуживания, имеет хорошие показатели наработки на отказ (до 80 тыс. часов у некоторых моделей) и малое энергопотребление (десятки ватт).

Технологии ВОГ пришли на смену лазерно-кольцевым гироскопам (ЛКГ), имеющим подвижные части и требующим периодического обслуживания по калибровке и замене износившихся узлов и деталей и при этом потребляющим много энергии.

Интегрированные системы навигации[ | ]

Для компенсации свойственных ИНС накапливающихся погрешностей в углах ориентации и координатам используютсяданные других навигационных систем, в частности, спутниковой системы навигации (СНС), радионавигации, магнитометрических (для получения данных по курсу), одометра (для получении данных о пройденном пути в наземном применении). Комплексирование данных от различных навигационных систем осуществляется по алгоритму, базирующемуся, как правило, на фильтре Калмана. Возможны различные реализации таких систем при наблюдаемой тенденции постепенной .

См. также[ | ]

  • Астроинерциальная навигация
  • Рейс 574 Adam Air

Литература[ | ]

  • Инерциальная навигация // Большая советская энциклопедия
  • Кузовков Н. Т., Салычев О. С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. М.: Машиностроение, 1982.
  • Шестов С. А. Гироскоп на земле, в небесах и на море. — М.: Знание, 1989. — 192 с.
  • Климов Д. М. Инерциальная навигация на море. — М.: Наука. — 118 с.
  • Магнус К. Гироскоп: теория и применение. — М.: Мир, 1974. — 526 с.

Источник: https://encyclopaedia.bid/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8%D0%BF%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%8F/%D0%98%D0%BD%D0%B5%D1%80%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BD%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0

Инерциальная навигация — инерциальные навигационные системы (ИНС)

инерциальная навигационная система

Инерциальная навигация –  это метод определения координат, скорости и угловой ориентации объекта на основе измерения и интегрирован/analitycs/ins/ия его ускорения. Основной особенностью инерциальной навигации (ИНС) является выдача навигационной информации автономно –  без привлечения внешних источников информации (сигналов со спутников или радиомаяков).

Совершенствование методов инерциальной навигации (ИНС) стало одним из условий, сделавших возможными беспосадочные авиаперелеты, полеты в космос, длительные походы подводных лодок. Инерциальная навигационная система (ИНС) –  это неотъемлемая часть системы управления самолета, вертолета, морского судна или ракеты.

Инерциальная навигация (ИНС) — компоненты

Составными частями любой инерциальной навигационной системы являются блок чувствительных элементов (акселерометров и гироскопов) и вычислитель, в котором реализуется навигационный алгоритм.

Точность выходной навигационной информации напрямую зависит от характеристик чувствительных элементов, входящих в состав системы, поэтому наиболее точное навигационное решение можно получить только в инерциальных системах, построенных на прецизионных гироскопах и акселерометрах.

Инерциальные навигационные системы – это дорогостоящие крупногабаритные сложные электромеханические системы.

Современные инерциальные навигационные системы

Современный уровень развития электроники позволил по-другому взглянуть на инерциальную навигацию, на смену аналоговым вычислителям пришли компактные цифровые устройства, повышается точность и уменьшаются габариты чувствительных элементов.

Современная инерциальная навигационная система – это уже не большой тяжелый ящик, –  достаточно высокие точности теперь доступны и при малых габаритах системы и чувствительных элементов.

В качестве чувствительных элементов инерциальной навигационной системы применяются миниатюрные гироскопы и акселерометры, выполненные по MEMS технологии.

Инерциальная навигация стала доступнее и сфера ее применения расширилась. Современные инерциальные системы находят свое применение в малой авиации, в робототехнике, в системах управления беспилотными летательными аппаратами.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Географические координаты эребус

Источник: http://www.teknol.ru/analitycs/ins

IT News

инерциальная навигационная система
Дата Категория: Транспорт

Когда полет корабля проходит над территорией, где нет станций радионаведения, скажем, над океаном, то летчики определяют свое местоположение с помощью ИНС — инерционной навигационной системы.

Эта система состоит из гидроскопа и встроенных акселерометров (измерителей ускорения) и помогает вычислить направление полета, его скорость и пройденное расстояние. Гироскоп позволяет выдерживать при полете нужный угол относительно силы тяжести, направленной вниз.

Акселерометры, расположенные в горизонтальном стабилизаторе, определяют величину ускорения самолета во всех трех направлениях и передают ее значение в бортовой компьютер. А тот использует полученные данные, чтобы вычислить все параметры движения и координаты корабля. ИНС связана с автопилотом, находящимся в кабине командира корабля.

Перед взлетом командир вводит в компьютер полетные данные: курс, скорость и высоту. Пользуясь этой информацией, компьютер управляет полетом до его окончания, поддерживая заданный курс без дополнительной помощи с земли.

ИНС (инерционная навигационная система)

В стабилизаторе находятся два акселерометра. Х-акселерометр определяет ускорение в направлениях восток-запад, а У-акселерометр — в северном и южном направлениях. В полете воздушный корабль постоянно испытывает ускорения. Запись данных, получаемых с акселерометров, позволяет вычислить скорость полета и пройденное расстояние.

Оси X, У и Z

Акселерометры осей X и У измеряют ускорение в любом азимутальном направлении. По оси Z измеряют вертикальное ускорение. Оно позволяет определять скорость подъема и снижения самолета.

Система «Омега»

Система «Омега» позволяет определить местоположение самолета путем вычисления разницы во времени получения радиосигналов, переданных двумя наземными станциями.

Для передачи своих сигналов система «Омега» использует волны очень низкой частоты (ОНЧ) от 10 до 14 кГц. Сеть «Омеги», состоящая всего из восьми таких станций, охватывает сигналами небо над всей планетой.

Станции «Омега» расположены в штате Северная Дакота, на Гавайях, в Норвегии, Аргентине, Австралии, Японии и острове Реюньон в Индийском

ИНС в кабине пилота

Система ИНС, установленная в кабине пилота, на первый взгляд сложная, на самом деле проста в обращении. Пилот на клавиатуре вводит полетные данные, и затем через некоторое время на указателе «селектор мод» загорается зеленая лампочка. Это значит, что бортовой компьютер принял данные.

Все данные сходятся воедино

Начальные полетные данные, заложенные в ИНС, включают в себя широту и долготу пункта назначения и наземные ориентиры по ходу маршрута. Компьютер обрабатывает эту информацию вместе с данными, полученными от акселерометров, и вычисляет скорость самолета и пройденный им путь. Приборы в кабине пилота также показывают скорость движения машины в воздухе и ее скорость относительно земли, текущие координаты, направление полета и скорость и направление ветра.

Воздушный корабль, оснащенный ИНС, может определить свое местоположение, находясь в любой точке земного шара.

Источник: http://Information-Technology.ru/sci-pop-articles/27-transport/6226-chto-takoe-inertsionnaya-navigatsionnaya-sistema

Инерциальная навигационная система: общие сведения, принцип действия, классификация и способы ориентации

Повышение требований к системам определения координат обуславливает необходимость освоения новых принципов навигации. В частности, одним из условий, которые диктует современность, стало внедрение относительно независимых средств измерения местоположения целевых объектов. Такие возможности обеспечивает инерциальная навигационная система, исключающая потребность в использовании сигналов от радиомаяков и спутников.

Общие сведения о технологии

Инерциальная навигация основывается на законах механики, позволяющих фиксировать параметры движения тел относительно установленной системы отсчета. Впервые данный принцип навигации стал применяться относительно недавно в корабельных гирокомпасах. По мере совершенствования измерительных приборов данного типа возникла методика, определяющая измеряемые параметры на основе ускорений тел.

Теория инерциальной навигационной системы стала формироваться ближе к 1930 годам. С этого момента исследователи данного направления стали уделять больше внимания принципам устойчивости механических систем. На практике данную концепцию реализовать достаточно сложно, поэтому долгое время она оставалась лишь в теоретической форме.

Но в последние десятилетия с появлением специальной аппаратуры на базе ЭВМ средства инерциальной навигации стали активно использоваться в авиации, водной технике и т. д.

Компоненты системы

Обязательными элементами любой инерциальной системы являются блоки чувствительных устройств измерения и вычислительные приборы. Первую категорию элементов представляют гироскопы и акселерометры, а вторую – компьютерная техника, реализующая определенные алгоритмы расчетов.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Географические координаты мадрид

Точность метода в значительной степени зависит от характеристик чувствительных устройств. К примеру, достоверные данные позволяют получить инерциальные навигационные системы только с гироскопами прецизионного типа в связке с акселерометрами.

Но в этом случае у технического оснащения отмечается серьезный недостаток в виде высокой сложности электромеханической начинки, не говоря о крупных размерах оборудования.

Принцип работы системы

Метод определения координат посредством инерциальной системы заключается в обработке данных об ускорении тел, а также их угловых скоростей. Для этого, опять же, используются установленные непосредственно на целевом объекте чувствительные элементы, благодаря которым генерируется информация о метаположении, курсе движения, пройденном пути и скорости.

Кроме того, принцип работы инерциальной навигационной системы дает возможность применять средства для стабилизации и даже автоматического управления объектом. Для таких целей как раз используются датчики линейного ускорения с гироскопической аппаратурой. С помощью данных устройств формируется система отчета, работающая относительно траектории движения объекта. По сгенерированной системе координат определяются углы наклона и поворота.

К достоинствам этой технологии можно отнести автономность, возможность автоматизации и высокую степень помехоустойчивости.

Классификация инерциальных навигационных систем

В своей основе рассматриваемые системы навигации подразделяются на платформенные и бесплатформенные (БИНС). Первые также называются географическими и могут содержать две платформы. Одна обеспечивается гироскопами и ориентируется в инерциальном поле, а вторая работает под управлением акселерометров и стабилизируется относительно горизонтальной плоскости. В результате координаты определяются с применением информации о взаимном местоположении двух платформ.

Более технологичными считаются модели БИНС. Бесплатформенная инерциальная навигационная система лишена недостатков, связанных с ограничениями в использовании гироплатформ. Функции определения скорости и местоположения объектов в таких моделях перекладываются на цифровую вычислительную технику, которая также способна фиксировать данные об угловой ориентации.

Современное развитие систем БИНС ставит целью оптимизацию вычислительных алгоритмов без снижения точности исходных данных.

Способы определения ориентации платформенных систем

Не утрачивают актуальность и системы, работающие с платформами для определения исходных данных о динамике объекта. На данный момент успешно эксплуатируются следующие виды платформенных инерциальных моделей навигации:

  • Геометрическая система. Стандартная модель с двумя платформами, которая была описана выше. Такие системы отличаются высокой точностью, однако имеют ограничения в обслуживании высокоманевренных аппаратов, работающих в космическом пространстве.
  • Аналитическая система. Также задействует акселерометры и гироскопы, которые находятся в неподвижном состоянии относительно звезд. К преимуществам таких систем относят способность эффективно обслуживать маневренные объекты наподобие ракет, вертолетов и истребителей. Но даже по сравнению с бесплатформенной инерциальной навигационной системой аналитические комплексы демонстрируют низкую точность определения параметров динамики объекта.
  • Полуаналитическая система. Обеспечивается одной платформой, непрерывно стабилизирующейся в пространстве местного горизонта. На этой базе размещается гироскоп и акселерометр, а вычисления организуются вне рабочей платформы.

Особенности инерциально-спутниковых систем

Это перспективный класс интегрированных навигационных систем, которые объединяют преимущества спутниковых источников сигнала и рассматриваемых инерциальных моделей. В отличие от популярных спутниковых систем такие комплексы позволяют дополнительно использовать данные об угловой ориентации и формировать независимые алгоритмы определения местоположения в условиях отсутствующих навигационных сигналов.

Получение дополнительных сведений геолокации позволяет технически упрощать модели чувствительных элементов, отказываясь от дорогостоящего оборудования. К достоинствам инерциально-спутниковой навигационной системы относят малый вес, небольшие размеры и упрощенные схемы обработки данных.

С другой стороны, нестабильность работы микроэлектромеханических гироскопов обуславливает накопление ошибок в определении данных.

Области применения инерциальных систем

Среди потенциальных потребителей технологии инерциальной навигации значатся представители самых разных отраслей. Это не только космонавтика и авиация, но также автомобилестроение (системы навигации), робототехника (средства контроля кинематических характеристик), спорт (определение динамики движения), медицина и даже бытовая техника т. д.

Заключение

Теория инерциальной навигации, концепция которой стала формироваться еще в прошлом веке, на сегодняшний день может рассматриваться как полноценный раздел мехатроники. Тем не менее последние достижения говорят о том, что впереди могут появляться и более прогрессивные открытия.

Об этом свидетельствует и тесное взаимодействие инерциальных навигационных систем с информатикой и электроникой. Появляются новые амбициозные задачи, расширяющие пространство для развития смежных технологий, также базирующихся на теоретической механике.

На данный же момент специалисты в этом направлении активно работают над оптимизацией технических средств, базовым среди которых можно назвать микромеханические гироскопы.

Источник: https://autogear.ru/article/436/008/inertsialnaya-navigatsionnaya-sistema-obschie-svedeniya-printsip-deystviya-klassifikatsiya-i-sposobyi-orientatsii/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Системы навигации и позиционирования
Американский эхолот для зимней рыбалки

Закрыть