Inerciální navigace

Inerciální navigace  je způsob navigace (určení souřadnic a parametrů pohybu různých objektů - lodí , letadel , raket atd.) a řízení jejich pohybu na základě vlastností setrvačnosti těles , která je autonomní, tzn. nevyžaduje přítomnost vnějších orientačních bodů nebo signálů přicházejících zvenčí. Neautonomní metody řešení navigačních problémů jsou založeny na použití vnějších orientačních bodů nebo signálů (například hvězd , majáků , rádiových signálů ).atd.). Tyto metody jsou v principu celkem jednoduché, ale v některých případech je nelze realizovat z důvodu nedostatečné viditelnosti nebo přítomnosti rušení rádiových signálů apod. [1] Potřeba vytvořit autonomní navigační systémy byla důvodem vzniku inerciální navigace.

Jak to funguje

Podstatou inerciální navigace je zjišťování zrychlení objektu a jeho úhlových rychlostí pomocí přístrojů a zařízení instalovaných na pohybujícím se objektu a podle těchto údajů se určí poloha (souřadnice) tohoto objektu, jeho kurz, rychlost, ujetá vzdálenost, ujetá vzdálenost, pohyb objektu a jeho úhlové rychlosti. atd., jakož i při stanovení parametrů potřebných pro stabilizaci objektu a automatické řízení jeho pohybu. To se provádí pomocí [2] :

  1. lineární snímače zrychlení ( akcelerometry );
  2. gyroskopická zařízení, která reprodukují referenční systém na objektu (například pomocí gyroskopicky stabilizované platformy) a umožňují určování úhlů rotace a sklonu objektu používaného k jeho stabilizaci a řízení jeho pohybu.
  3. výpočetní zařízení ( počítače ), které pomocí zrychlení (jejich integrací ) zjišťují rychlost objektu, jeho souřadnice a další parametry pohybu;

Výhody inerciálních navigačních metod jsou autonomie, odolnost proti šumu a možnost plné automatizace všech navigačních procesů. Díky tomu se inerciální navigační metody stále více používají při řešení problémů navigace povrchových, podvodních a letadel, kosmických lodí a vozidel a dalších pohybujících se objektů.

Inerciální navigace se také používá pro vojenské účely: v řízených střelách a UAV , v případě nepřátelských elektronických protiopatření. Jakmile navigační systém řízené střely nebo UAV zaznamená zásah nepřátelského elektronického boje , zablokování nebo zkreslení signálu GPS , zapamatuje si poslední souřadnice a přepne na inerciální navigační systém [3] .

Historie

Principy inerciální navigace jsou založeny na zákonech mechaniky formulovaných Newtonem , které řídí pohyb těles vzhledem k inerciální vztažné soustavě (pro pohyby ve sluneční soustavě  vzhledem ke hvězdám).

Vývoj základů inerciální navigace se datuje do 30. let 20. století . Velkou . DraperYu._A.,BulgakovB.V. -SSSRv:mělitomnazásluhu _ Významnou roli v teoretických základech inerciální navigace hraje teorie stability mechanických soustav, k níž velkou měrou přispěli ruští matematici A. M. Ljapunov a A. V. Michajlov . 

S praktickým zaváděním inerciálních navigačních metod byly spojeny značné potíže způsobené nutností zajistit vysokou přesnost a spolehlivost všech zařízení s danými rozměry a hmotností. Překonání těchto potíží je možné díky vytvoření speciálních technických prostředků - inerciálních navigačních systémů (INS). První plnohodnotné ANN byly vyvinuty v USA a v SSSR na počátku 50. let. Takže vybavení prvního amerického INS (včetně navigačních počítačů ) bylo konstrukčně vyrobeno ve formě několika krabic impozantní velikosti a zabírajících téměř celou kabinu letadla bylo poprvé testováno během letu do Los Angeles , automaticky vedoucí letadla na trase.

Inerciální navigační systémy

Inerciální navigační systémy (INS) obsahují lineární senzory zrychlení ( akcelerometry ) a senzory úhlové rychlosti ( gyroskopy nebo dvojice akcelerometrů, které měří odstředivé zrychlení). S jejich pomocí je možné určit odchylku souřadnicového systému spojeného s tělem zařízení od souřadnicového systému spojeného se Zemí, a to získáním orientačních úhlů: vybočení ( směr ), sklon a sklon . Úhlová odchylka souřadnic ve formě zeměpisné šířky , zeměpisné délky a nadmořské výšky je určena integrací údajů z akcelerometrů. Algoritmicky se ANN skládá z hlavičky a souřadnicového systému. Vertikální kurz poskytuje možnost určit orientaci v geografickém souřadnicovém systému , což umožňuje správně určit polohu objektu. V tomto případě musí neustále přijímat data o poloze objektu. Technicky však systém zpravidla není rozdělen a v expozici kurzově-vertikální části lze využít např. akcelerometry .

Inerciální navigační systémy se dělí na platformové (PINS) a strapdown (SINS) s gyroskopicky stabilizovanou platformou .

V platformových ANN určuje typ inerciálního systému propojení bloku měřičů zrychlení a gyroskopických zařízení, která zajišťují orientaci měřičů zrychlení v prostoru. Existují tři hlavní typy inerciálních systémů platformy.

  1. Inerciální soustava geometrického typu má dvě platformy. Jedna platforma s gyroskopy je orientována a stabilizována v inerciálním prostoru a druhá s akcelerometry je vzhledem k rovině horizontu. Souřadnice objektu jsou určeny v kalkulačce pomocí údajů o vzájemné poloze plošin. Má vysokou přesnost určování polohy vzhledem k povrchu planety (například k Zemi), ale nefunguje uspokojivě na vysoce manévrovatelných vozidlech a ve vesmíru. Používá se především na letounech dlouhého doletu (civilní, vojenské dopravní, strategické bombardéry ), ponorkách a velkých hladinových lodích.
  2. V inerciálních soustavách analytického typu jsou jak akcelerometry, tak gyroskopy nehybné v inerciálním prostoru (vzhledem k libovolně vzdáleným hvězdám nebo galaxiím). Souřadnice objektu se získávají v kalkulačce, která zpracovává signály přicházející z akcelerometrů a zařízení, která určují rotaci samotného objektu vzhledem ke gyroskopům a akcelerometrům. Má poměrně nízkou přesnost při pohybu v blízkosti zemského povrchu, ale dobře funguje na manévrovatelných objektech (stíhačky, vrtulníky, rakety, vysokorychlostní manévrovatelná povrchová plavidla) a ve vesmíru.
  3. Semianalytický systém má platformu, která se průběžně stabilizuje nad lokálním horizontem. Platforma má gyroskopy a akcelerometry. Souřadnice letadla nebo jiného letadla jsou určeny v počítači umístěném mimo platformu.

V SINS jsou akcelerometry a gyroskopy pevně spojeny s tělem zařízení. Pokročilou technologií při výrobě SINS je technologie optických gyroskopů (FOG), jejíž princip je založen na Sagnacově efektu . SINS na bázi takových gyroskopů nemá žádné pohyblivé části, je absolutně tichý, mechanicky relativně pevný, nevyžaduje zvláštní údržbu, má dobré MTBF (u některých modelů až 80 tisíc hodin) a nízkou spotřebu energie (desítky wattů ). Technologie FOG nahradily laserové prstencové gyroskopy (LCG).

Integrované navigační systémy

Pro kompenzaci inherentních INS kumulujících se chyb v orientačních úhlech a souřadnicích se používají data z jiných navigačních systémů, zejména družicového navigačního systému (SNS) , radionavigačního, magnetometrického (pro získávání dat o kurzu), počítadla kilometrů (pro získávání dat ). na vzdálenost ujetou v pozemních aplikacích). Integrace dat z různých navigačních systémů se provádí podle algoritmu založeného zpravidla na Kalmanově filtru . Při pozorovaném trendu postupné miniaturizace jsou možné různé implementace takových systémů .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Vasiliev P. V., Meleshko A. V., Pyatkov V. V. Zlepšení přesnosti opraveného inerciálního navigačního systému Archivováno 16. února 2015 na Wayback Machine . — Přístrojové vybavení. - Článek. - Vydání č. 12 (prosinec 2014)
  2. ↑ Inerciální navigační systém: Jak to funguje . rostec.ru _ Staženo 11. prosince 2020. Archivováno z originálu dne 28. listopadu 2020.
  3. ↑ Ivan Konovalov. Vojáci EW prohráli boj s GPS . Izvestija (28. září 2012). Staženo 11. prosince 2020. Archivováno z originálu dne 19. září 2020.

Literatura

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích