Инерциальная навигационная система

Инерциальная навигация — метод определения координат и параметров движения различных объектов (судов, самолётов, ракет и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел и являющийся автономным, т. е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов. Обычные 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 обладают необходимой точностью, особенно при больших скоростях движения (например, при полёте в космосе), и не всегда могут быть осуществлены из-за отсутствия видимости или наличия помех для радиосигналов и т. п. Необходимость создания навигационных систем, свободных от этих недостатков, явилась причиной возникновения инерциальной навигации.

Разработка основ инерциальной навигации относится к 30-м гг. 20 в. Большой вклад в неё внесли в СССР Б. В. Булгаков, А. Ю. Ишлинский, Е. Б. Левенталь, Г. О. Фридлендер, а за рубежом — немецкий учёный М. Шулер и американский — Ч. Дрейпер. Значительную роль в теоретических основах инерциальной навигации играет теория устойчивости механических систем, большой вклад в которую внести российские математики Ляпунов и Михайлов. 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).

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;

Практическая реализация методов И. н. связана со значительными трудностями, вызываемыми необходимостью обеспечить высокую точность и надёжность работы всех устройств при заданных весах и габаритах. Преодоление этих трудностей становится возможным благодаря созданию специальных технических средств — инерциальной навигационной системы. Преимущества методов инерциальной навигации состоят в автономности, помехозащищенности и возможности полной автоматизации всех процессов навигации. Благодаря этому методы инерциальной навигации получают всё более широкое применение при решении проблем навигации надводных судов, подводных лодок, самолётов, космических аппаратов и других движущихся объектов.

Инерциальные системы навигации

Инерциальные системы навигации имеют в своём составе датчики линейного ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы). С их помощью можно определить отклонение связанной с корпусом прибора системы координат от системы координат, связанной с Землёй получив углы ориентации: курс, тангаж и крен. Линейное отклонение координат в виде широты, долготы и высоты определяется путём интегрирования показаний акселерометров.

Инерциальные системы делятся на имеющие гиростабилизированную платформу и бесплатформенные (БИНС). У платформенных систем оси акселерометров направлены строго по земной системе координат, благодаря гироскопам, удерживающим платформу, где эти акселерометры расположены. В БИНС акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора. Одним из нежелательных моментов, свойственных автономной работе БИНС, является возникновение медленно меняющейся периодической ошибки. Период изменения этой ошибки соответствует периоду Шулера. Причиной возникновения этих колебаний служат неточное задание начальных условий на момент включения БИНС и не полностью скомпенсированные собственные погрешности векторных измерителей угловой скорости и линейного ускорения.

Литература

• Инерциальная навигация // Большая советская энциклопедия