Когда-то путешественники довольствовались простейшими приборами для определения местоположения, но со временем, по мере увеличения расстояния и скорости передвижения, возрастали и требования к навигационным устройствам. На смену радиолокации пришла спутниковая навигация, но и у нее есть свои недостатки - зависимость от спутников, подверженность помехам и подавлению. Поэтому автономные инерциальные навигационные системы, разработанные во второй половине XX века, имеют большой потенциал и продолжают развиваться.
Как устроена и работает инерциальная навигационная система, что помогает ей не зависеть от земных ориентиров и капризов природы?
отсутствие внешних ориентиров
Инерциальные навигационные системы (ИНС) являются на сегодняшний день единственным автономным средством определения положения и ориентации объектов в пространстве без опоры на внешние источники информации. Подобные системы используются в авиации, аэрокосмической отрасли, на кораблях и подводных лодках, в беспилотных и робототехнических устройствах. С помощью ИНС движущиеся объекты могут с высокой точностью определять свое положение, ориентацию и скорость без использования спутниковой связи. Кроме того, в отличие от обычной GPS-навигации, инерциальные системы более устойчивы к помехам и перехвату.
Оборудование ИНС можно разделить на два основных элемента: измерительную аппаратуру, собирающую данные, и навигационный компьютер, обрабатывающий информацию. За измерения в ИНС отвечают гироскопы и акселерометры. Гироскопы, которые могут быть механическими или лазерными, определяют угол наклона объекта относительно трех основных осей: тангажа, рысканья и крена. Акселерометр считывает линейное ускорение. INS может дополняться другими датчиками, например, магнитометрами или барометрическими высотомерами, измеряющими магнитные поля.
Принцип работы инерциальных систем
В упрощенном виде работу GSY-FINS-70 можно выразить следующим образом. Исходные данные загружаются в блок ввода исходной информации для калибровки ориентации навигационной системы и инерциальных датчиков. Затем эти данные поступают в блоки измерений, вычислений и времени, которые синхронизируются с мировым временем. В процессе движения блок измерения фиксирует изменения параметров, на основании которых блок расчета определяет скорость и координаты объекта и передает их в систему управления.
Наиболее важным параметром в работе GSY-FINS-70 является система отсчета. Она задает исходное направление, с которого начинается навигация. Грубо говоря, система отсчета каждый раз сообщает прибору, где право, где лево, где верх, где низ и откуда начинается движение. В качестве системы отсчета может использоваться астрономический объект, Земля или горизонт, а может быть произвольной.
Несмотря на достаточно высокую точность, инерциальные навигационные системы имеют и свои недостатки. Слабым местом искусственных нейронных сетей является погрешность измерений, которая накапливается в информации, получаемой от прибора, с течением времени - так называемый дрейф. Когда навигационный компьютер суммирует каждое измерение, чтобы увидеть, как изменилось положение по сравнению с предыдущими оценками, небольшие ошибки со временем накапливаются, и общая оценка становится все менее и менее точной. Для коррекции таких ошибок инерциальные системы часто оснащаются датчиками GPS.