Rosnące wymagania stawiane układom współrzędnych wymuszają opracowanie nowych zasad nawigacji. W szczególności jednym z warunków podyktowanych nowoczesnością było wprowadzenie stosunkowo niezależnych środków pomiaru położenia obiektów docelowych. Te możliwości zapewnia system nawigacji bezwładnościowej, który eliminuje potrzebę sygnałów z radiolatarni i satelitów.
Przegląd technologii
Nawigacja inercyjna opiera się na prawach mechaniki, umożliwiając ustalenie parametrów ruchu ciał względem ustalonego układu odniesienia. Po raz pierwszy ta zasada nawigacji zaczęła być stosowana stosunkowo niedawno w żyrokompasach okrętowych. Wraz z udoskonalaniem przyrządów pomiarowych tego typu powstałytechnika, która określa mierzone parametry na podstawie przyspieszeń ciał. Teoria systemu nawigacji inercyjnej zaczęła nabierać kształtu bliżej lat 30. XX wieku. Od tego momentu badacze w tej dziedzinie zaczęli zwracać większą uwagę na zasady stabilności układów mechanicznych. W praktyce koncepcja ta jest dość trudna do zrealizowania, dlatego przez długi czas pozostawała tylko w formie teoretycznej. Jednak w ostatnich dziesięcioleciach, wraz z pojawieniem się specjalnego sprzętu opartego na komputerach, narzędzia nawigacji inercyjnej były aktywnie wykorzystywane w lotnictwie, inżynierii wodnej itp.
Komponenty systemu
Obowiązkowe elementy każdego systemu inercyjnego to bloki czułych urządzeń pomiarowych i urządzeń obliczeniowych. Pierwszą kategorię elementów reprezentują żyroskopy i akcelerometry, a drugą sprzęt komputerowy realizujący określone algorytmy obliczeniowe. Dokładność metody w dużej mierze zależy od charakterystyki czułych urządzeń. Na przykład wiarygodne dane umożliwiają uzyskanie systemów nawigacji bezwładnościowej tylko za pomocą precyzyjnych żyroskopów w połączeniu z akcelerometrami. Ale w tym przypadku wyposażenie techniczne ma poważną wadę w postaci dużej złożoności wypełnienia elektromechanicznego, nie wspominając o dużych rozmiarach wyposażenia.
Jak działa system
Metoda wyznaczania współrzędnych za pomocą układu inercjalnego polega na przetwarzaniu danych dotyczących przyspieszenia ciał, a także ichprędkości kątowe. W tym celu ponownie wykorzystywane są wrażliwe elementy instalowane bezpośrednio na obiekcie docelowym, dzięki czemu generowane są informacje o meta-pozycji, przebiegu ruchu, przebytej odległości i prędkości. Ponadto zasada działania systemu nawigacji inercyjnej umożliwia zastosowanie środków do stabilizacji, a nawet automatycznego sterowania obiektem. Do takich celów wykorzystywane są czujniki przyspieszenia liniowego z wyposażeniem żyroskopowym. Za pomocą tych urządzeń tworzony jest system raportów, który działa w odniesieniu do trajektorii obiektu. Zgodnie z wygenerowanym układem współrzędnych wyznaczane są kąty pochylenia i obrotu. Zaletami tej technologii są autonomia, możliwość automatyzacji i wysoki stopień odporności na zakłócenia.
Klasyfikacja systemów nawigacji inercyjnej
Zasadniczo rozważane systemy nawigacyjne dzielą się na platformę i strapdown (SINS). Te pierwsze są również nazywane geograficznymi i mogą zawierać dwie platformy. Jeden jest dostarczany przez żyroskopy i jest zorientowany w polu bezwładności, a drugi jest kontrolowany przez akcelerometr i stabilizuje się względem płaszczyzny poziomej. W rezultacie współrzędne są określane na podstawie informacji o względnej pozycji obu platform. Modele SINS są uważane za bardziej zaawansowane technologicznie. System nawigacji inercyjnej typu strap-down pozbawiony jest wad związanych z ograniczeniami w użytkowaniu żyroplatform. Prędkość ilokalizacje obiektów w takich modelach są przesunięte do obliczeń cyfrowych, które są również zdolne do rejestrowania danych o orientacji kątowej. Nowoczesny rozwój systemów SINS ma na celu optymalizację algorytmów obliczeniowych bez zmniejszania dokładności danych początkowych.
Metody określania orientacji systemów platform
Nie trać znaczenia i systemów, które współpracują z platformami, aby określić początkowe dane dotyczące dynamiki obiektu. Obecnie z powodzeniem obsługiwane są następujące typy modeli nawigacji inercyjnej platformy:
- Układ geometryczny. Model standardowy z dwiema platformami, który został opisany powyżej. Takie systemy są bardzo dokładne, ale mają ograniczenia w obsłudze wysoce zwrotnych pojazdów operujących w przestrzeni kosmicznej.
- System analityczny. Wykorzystuje również akcelerometry i żyroskopy, które są nieruchome względem gwiazd. Zaletą takich systemów jest możliwość efektywnej obsługi obiektów manewrowych, takich jak rakiety, helikoptery i myśliwce. Jednak nawet w porównaniu z bezwładnościowym systemem nawigacji typu strap-down, systemy analityczne wykazują niską dokładność w określaniu parametrów dynamiki obiektu.
- System półanalityczny. Udostępnione przez jedną platformę, stale stabilizującą się w przestrzeni lokalnego horyzontu. W tej podstawie znajduje się żyroskop i akcelerometr, a obliczenia są zorganizowane poza platformą roboczą.
Cechy inercyjnych systemów satelitarnych
Jest to obiecująca klasa zintegrowanych systemów nawigacyjnych, które łączą zalety źródeł sygnału satelitarnego i rozważanych modeli bezwładnościowych. W przeciwieństwie do popularnych systemów satelitarnych, takie systemy umożliwiają dodatkowo wykorzystanie danych o orientacji kątowej i tworzenie niezależnych algorytmów pozycjonowania w przypadku braku sygnałów nawigacyjnych. Uzyskanie dodatkowych informacji geolokalizacyjnych pozwala nam technicznie uprościć modele wrażliwych elementów, rezygnując z drogiego sprzętu. Zaletami bezwładnościowego systemu nawigacji satelitarnej są niewielka waga, niewielkie rozmiary i uproszczone schematy przetwarzania danych. Z drugiej strony niestabilność żyroskopów MEMS powoduje nagromadzenie błędów w określaniu danych.
Obszary zastosowania systemów inercyjnych
Wśród potencjalnych konsumentów technologii nawigacji inercyjnej są przedstawiciele różnych branż. To nie tylko astronautyka i lotnictwo, ale także motoryzacja (systemy nawigacyjne), robotyka (środki sterowania charakterystykami kinematycznymi), sport (określanie dynamiki ruchu), medycyna, a nawet sprzęt AGD itp.
Wniosek
Teoria nawigacji inercyjnej, której koncepcja zaczęła się kształtować w ubiegłym stuleciu, dziś można uznać za pełnoprawny dział mechatroniki. Jednak ostatnie osiągnięcia sugerują, że przyszłość może:pojawiają się i bardziej postępowe odkrycia. Świadczy o tym ścisła interakcja systemów nawigacji inercyjnej z informatyką i elektroniką. Pojawiają się nowe ambitne zadania, poszerzające przestrzeń dla rozwoju pokrewnych technologii, również opartych na mechanice teoretycznej. Jednocześnie eksperci w tym kierunku aktywnie pracują nad optymalizacją środków technicznych, wśród których podstawowym są żyroskopy mikromechaniczne.
