Інерціальна навігація

Сутність інерціальної навігації полягає у визначенні прискорення об'єкта і його кутових швидкостей за допомогою встановлених на рухомому об'єкті приладів і пристроїв, а за цими даними — місцеположення (координат) цього об'єкта, його курсу, швидкості, пройденого шляху та ін, а також у визначенні параметрів, необхідних для стабілізації об'єкту і автоматичного керування його рухом. Це здійснюється за допомогою:

1. Датчиків лінійного прискорення (акселерометрів);
2. Гіроскопічних пристроїв, що відтворюють на об'єкті систему відліку (наприклад, за допомогою гіростабілізованої платформи) і дозволяють визначати кути повороту і нахилу об'єкта, використовувані для його стабілізації та управління рухом.
3. Обчислювальних пристроїв (ЕОМ), які за прискореннями (шляхом їх інтегрування) знаходять швидкість об'єкту, його координати і інші параметри руху;

Переваги методів інерціальної навігації складаються в автономності, перешкодозахищеності і можливості повної автоматизації всіх процесів навігації. Завдяки цьому методи інерціальної навігації отримують все більш широке застосування при вирішенні проблем навігації надводних суден, підводних човнів, літаків, космічних апаратів та інших рухомих об'єктів.

Принципи інерціальної навігації базуються на сформульованих ще Ньютоном законах механіки, яким підкоряється рух тіл по відношенню до інерційної системи відліку (для рухів в межах Сонячної системи — по відношенню до зірок).

Інерційна навігаціна система 1950-тих років, розроблена в Массачусетському технологічному інституті

Розробка основ інерціальній навігації відноситься до 1930-тих роках. Великий внесок у неї внесли в СРСР Б. В. Булгаков, А. Ю. Ішлінський, Є. Б. Левенталь, Г. О. Фрідлендер, а за кордоном — німецький учений М. Шулер і американський — Чарльз Дрейпер. Значну роль в теоретичних основах інерціальної навігації грає теорія стійкості механічних систем, великий внесок в яку внесли російські математики Ляпунов і Михайлов.

Практична реалізація методів інерціальній навігації була пов'язана зі значними труднощами, викликаними необхідністю забезпечити високу точність і надійність роботи всіх пристроїв при заданих вазі та габаритах. Подолання цих труднощів стає можливим завдяки створенню спеціальних технічних засобів — інерціальної навігаційної системи (ІНС). Перший варіант практичної ІНС, розроблений в США в 50-ті роки, — кілька ящиків значних розмірів (включаючи обслуговуючу ЕОМ) — які, займаючи майже весь салон літака, вперше були випробувані під час перельоту з Нью-Бедфорда в Лос-Анджелес, автоматично керуючи літаком.

Кільцевій лазерний гіроскоп виробництва українського заводу «Арсенал»

Інерціальні навігаційні системи (ІНС) мають у своєму складі датчики лінійного прискорення (акселерометри) і кутової швидкості (гіроскоп або пари акселерометрів, що вимірюють відцентрове прискорення). З їх допомогою можна визначити відхилення пов'язаної з корпусом приладу системи координат від системи координат, пов'язаної з Землею, отримавши кути орієнтації: рискання (курс), тангажу і крен. Лінійне відхилення координат у вигляді широти, довготи і висоти визначається шляхом інтегрування показань акселерометрів. Алгоритмічно ІНС складається з курсовертикалі і системи визначення координат. Курсовертикаль забезпечує можливість визначення орієнтації в географічній системі координат, що дозволяє правильно визначити положення об'єкту. При цьому в неї постійно повинні надходити дані про становище об'єкта. Однак технічно система, як правило, не поділяється і акселерометри, наприклад, можуть використовуватися при виставці курсовертикальної частини.

Інерціальні навігаційні системи діляться на гіростабілізовану платформу (Пінс) і безплатформну (БІНС). У платформних ІНС взаємний зв'язок блоку вимірювачів прискорень і гіроскопічних пристроїв, що забезпечують орієнтацію акселерометрів в просторі, визначає тип інерціальної системи. Відомі три основних типів платформних інерційних систем.

1. Інерціальна система геометричного типу має дві платформи. Одна платформа з гіроскопами орієнтована і стабілізована в інерціальному просторі, а друга з акселерометрами — відносно площини горизонту. Координати літака визначаються в обчислювачі з використанням даних про взаємне розташування платформ.
2. У інерційних системах аналітичного типу і акселерометри, і гіроскопи нерухомі в інерціальному просторі (щодо як завгодно далеких зірок). Координати об'єкту отримуються в лічильно-вирішальному пристрої, у якому обробляються сигнали, що знімаються з акселерометрів і пристроїв, що визначають поворот самого об'єкта щодо гіроскопів і акселерометрів.
3. Напіваналітична система має платформу, яка безперервно стабілізується за місцевим горизонтом. На платформі є і гіроскопи і акселерометри. Координати літака або іншого літального апарату визначаються в обчислювачі, розташованому поза платформою.

В БІНС акселерометри і гіроскопи жорстко пов'язані з корпусом приладу.

Передовою технологією у виробництві БІНС є технологія волоконно-оптичних гіроскопів (ВОГ), принцип дії яких заснований на ефект Саньяка. БІНС на базі таких гіроскопів не має рухомих частин, абсолютна безшумна, не вимагає спеціального обслуговування, має хороші показники напрацювання на відмову (до 80 000 годин у деяких моделей) і мале енергоспоживання (десятки Ватт). Технології ВОГ прийшли на зміну лазерно-кільцевим гіроскопам (ЛКГ), у яких рухливі частини і вимагають періодичного обслуговування з калібрування і заміні зношених вузлів і деталей, а також з відносно високим рівнем енергоспоживання.

Для компенсації накопичення похибок в кутах орієнтації і координат, властивих ІНС, використовуються дані інших навігаційних систем, зокрема супутникової системи навігації (СНС), радіонавігації, магнітометра (для отримання даних по курсу), одометра (для отримання даних про пройдений шлях у наземному застосуванні) . Комплексування даних від різних навігаційних систем здійснюється за алгоритмом, що базується, як правило, на фільтрі Калмана Можливі різні реалізації таких систем, але спостерігається поступове зменшення масо-габаритних характеристик.

• Інерціальна навігація // Велика радянська енциклопедія
• Кузовков Н. Т., Саличев О. С. Інерціальна навігація і оптимальна фільтрація. М.: Машинобудування, 1982.

• Астроінерціальна навігація