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. 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.

Инерциальная навигация также используется в военных целях: в крылатых ракетах и БПЛА , в случае радиоэлектронного противодействия противника. Как только система навигации крылатой ракеты или БПЛА обнаруживает воздействие средств РЭБ противника, блокировку или искажение сигнала GPS , она запоминает последние координаты и переключается на инерциальную систему навигации .

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. ) 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

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

В БИНС акселерометры и гироскопы жёстко 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).

Интегрированные системы навигации

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

См. также

• Астроинерциальная навигация
• Рейс 574 Adam Air

Примечания

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.