Tröghetsnavigering

Tröghetsnavigering  är en metod för navigering (att bestämma koordinaterna och parametrarna för rörelsen av olika objekt - fartyg , flygplan , missiler , etc.) och kontrollera deras rörelse, baserat på egenskaperna för tröghet hos kroppar , som är autonom, det vill säga, det kräver inte närvaron av externa landmärken eller signaler som kommer utifrån. Icke-autonoma metoder för att lösa navigeringsproblem baseras på användningen av externa landmärken eller signaler (till exempel stjärnor , beacons , radiosignaler , etc.). Dessa metoder är i princip ganska enkla, men i vissa fall kan de inte implementeras på grund av bristen på synlighet eller förekomsten av störningar för radiosignaler etc. [1] Behovet av att skapa autonoma navigationssystem var orsaken till uppkomsten av tröghetsnavigering.

Hur det fungerar

Kärnan i tröghetsnavigering är att bestämma ett objekts acceleration och dess vinkelhastigheter med hjälp av instrument och enheter installerade på ett rörligt objekt, och enligt dessa data, platsen (koordinaterna) för detta objekt, dess kurs, hastighet, tillryggalagd sträcka, etc., samt för att bestämma de parametrar som krävs för att stabilisera föremålet och automatiskt kontrollera dess rörelse. Detta görs med hjälp av [2] :

  1. linjära accelerationssensorer ( accelerometrar );
  2. gyroskopiska anordningar som återger referenssystemet på föremålet (till exempel med hjälp av en gyrostabiliserad plattform) och gör det möjligt att bestämma rotations- och lutningsvinklarna för föremålet som används för att stabilisera det och kontrollera dess rörelse.
  3. beräkningsenheter ( datorer ), som med hjälp av accelerationer (genom att integrera dem ) hittar ett objekts hastighet, dess koordinater och andra rörelseparametrar;

Fördelarna med tröghetsnavigeringsmetoder är autonomi, brusimmunitet och möjligheten till full automatisering av alla navigeringsprocesser. På grund av detta används tröghetsnavigeringsmetoder alltmer för att lösa problemen med navigering av yt-, undervattens- och flygplan, rymdfarkoster och fordon och andra rörliga föremål.

Tröghetsnavigering används också för militära ändamål: i kryssningsmissiler och UAV , i händelse av fiendens elektroniska motåtgärder. Så snart navigationssystemet för en kryssningsmissil eller UAV upptäcker effekten av fiendens elektroniska krigföring , blockering eller förvrängning av GPS- signalen , kommer det ihåg de sista koordinaterna och växlar till tröghetsnavigeringssystemet [3] .

Historik

Principerna för tröghetsnavigering är baserade på mekanikens lagar formulerade av Newton , som styr kropparnas rörelse med avseende på tröghetsreferensramen (för rörelser inom solsystemet  , med avseende på stjärnorna).

Utvecklingen av grunderna för tröghetsnavigering går tillbaka till 1930-talet . Ett DraperA.Yu._,Bulgakov .B.V -USSRi:gjordesdettillbidragstort . En betydande roll i de teoretiska grunderna för tröghetsnavigering spelas av teorin om stabilitet för mekaniska system, till vilken de ryska matematikerna A. M. Lyapunov och A. V. Mikhailov gjorde ett stort bidrag . 

Den praktiska implementeringen av tröghetsnavigeringsmetoder var förknippad med betydande svårigheter orsakade av behovet av att säkerställa hög noggrannhet och tillförlitlighet för alla enheter med givna dimensioner och vikt. Att övervinna dessa svårigheter blir möjligt tack vare skapandet av speciella tekniska medel - tröghetsnavigeringssystem (INS). De första fullfjädrade ANN:erna utvecklades i USA och i Sovjetunionen i början av 1950-talet. Så utrustningen från de första amerikanska INS (inklusive navigeringsdatorer ) gjordes strukturellt i form av flera lådor av imponerande storlek och, som ockuperade nästan hela flygplanets kabin, testades först under flygningen till Los Angeles , vilket automatiskt ledde till flygplan längs rutten.

Tröghetsnavigeringssystem

Tröghetsnavigeringssystem (INS) innehåller linjära accelerationssensorer ( accelerometrar ) och vinkelhastighetssensorer ( gyroskop eller par av accelerometrar som mäter centrifugalacceleration). Med deras hjälp är det möjligt att bestämma avvikelsen för koordinatsystemet som är associerat med enhetens kropp från koordinatsystemet som är associerat med jorden, och erhålla orienteringsvinklarna: yaw ( rubrik ), pitch och roll . Vinkelavvikelsen för koordinaterna i form av latitud , longitud och höjd bestäms genom att integrera accelerometrarnas avläsningar. Algoritmiskt består ANN av kurs- och koordinatsystem. Den vertikala kursen ger möjligheten att bestämma orienteringen i ett geografiskt koordinatsystem , vilket gör att du korrekt kan bestämma objektets position. I det här fallet måste den ständigt ta emot data om objektets position. Men tekniskt sett är systemet som regel inte uppdelat och accelerometrar kan till exempel användas i utställningen av den kurs-vertikala delen.

Tröghetsnavigeringssystem är indelade i plattformsbaserade (PINS) och strapdown (SINS) med en gyrostabiliserad plattform .

I plattformens ANNs bestämmer sammankopplingen av blocket av accelerationsmätare och gyroskopiska enheter som ger orienteringen av accelerometrarna i rymden typen av tröghetssystem. Det finns tre huvudtyper av plattformströghetssystem.

  1. Det geometriska tröghetssystemet har två plattformar. En plattform med gyroskop är orienterad och stabiliserad i tröghetsrymden, och den andra med accelerometrar är i förhållande till horisontplanet. Objektets koordinater bestäms i kalkylatorn med hjälp av data om plattformarnas relativa position. Den har en hög positioneringsnoggrannhet i förhållande till planetens yta (till exempel jorden), men fungerar inte tillfredsställande på mycket manövrerbara fordon och i yttre rymden. Den används främst på långdistansflygplan (civila, militära transporter, strategiska bombplan ), ubåtar och stora ytfartyg.
  2. I tröghetssystem av den analytiska typen är både accelerometrar och gyroskop orörliga i tröghetsrymden (i förhållande till godtyckligt avlägsna stjärnor eller galaxer). Objektets koordinater erhålls i en kalkylator som bearbetar signaler som kommer från accelerometrar och enheter som bestämmer själva objektets rotation i förhållande till gyroskop och accelerometrar. Den har en relativt låg noggrannhet när den rör sig nära jordens yta, men fungerar bra på manövrerbara föremål (jaktflygplan, helikoptrar, missiler, höghastighetsmanövrerbara ytfartyg) och i yttre rymden.
  3. Det semi-analytiska systemet har en plattform som kontinuerligt stabiliserar sig över den lokala horisonten. Plattformen har gyroskop och accelerometrar. Koordinaterna för ett flygplan eller annat flygplan bestäms i en dator placerad utanför plattformen.

I SINS är accelerometrar och gyroskop styvt anslutna till enhetens kropp. Den avancerade tekniken i produktionen av SINS är tekniken för fiberoptiska gyroskop (FOG), vars princip är baserad på Sagnac-effekten . SINS baserade på sådana gyroskop har inga rörliga delar, är helt tyst, mekaniskt relativt stark, kräver inget speciellt underhåll, har bra MTBF (upp till 80 tusen timmar för vissa modeller) och låg strömförbrukning (tiotals watt ). FOG-teknologier har ersatt laserringgyroskop (LCG).

Integrerade navigationssystem

För att kompensera för de inneboende INS-ackumulerande felen i orienteringsvinklar och koordinater används data från andra navigationssystem, i synnerhet satellitnavigeringssystem (SNS) , radionavigering, magnetometrisk (för att få data om banan), vägmätare (för att få data om tillryggalagd sträcka i markbaserade tillämpningar). Integreringen av data från olika navigationssystem utförs enligt en algoritm baserad som regel på Kalman-filtret . Olika implementeringar av sådana system är möjliga med den observerade trenden av gradvis miniatyrisering .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Vasiliev P. V., Meleshko A. V., Pyatkov V. V. Förbättring av noggrannheten hos ett korrigerat tröghetsnavigeringssystem Arkiverad 16 februari 2015 på Wayback Machine . — Instrumentering. - Artikel. - Nummer 12 (december 2014)
  2. ↑ Tröghetsnavigeringssystem: Hur det fungerar . rostec.ru . Hämtad 11 december 2020. Arkiverad från originalet 28 november 2020.
  3. ↑ Ivan Konovalov. EW-trupperna förlorade GPS-striden . Izvestia (28 september 2012). Hämtad 11 december 2020. Arkiverad från originalet 19 september 2020.

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger