Инерциална навигационна система


Категория на документа: Други


Инерциална навигационна система
(инс)

Увод
Инерциалната навигационна система използва отклонения, като генерира коригиращи команди, за да управлява системата от мястото, където се намира, до позиция, която не е и предстои да достигне. Вследствие на това място, където се намира, е вече позицията, на което е предстояло да бъде, и така системата следва позицията на тялото от това къде е и до всяко следващо положение, което предстои.
Това придава възможността за предоставяне на големи кръгови писти над непознати или случайни маршрути без позоваване на външни източници на информация.
Теорията на ИНС непрекъснато се развива към включване на описание в математическа форма на грешки и работа на жироскопи, използващи различни физични принципи.

История
Инерционнитe навигационни системи първоначално са били разработени за ракети. Американската ракета "Пайнер" Робърт Годард експериментира с елементарни жироскопични системи. Системите на д-р Годард представляват голям интерес за Вернер фон Браун. Системите са намирали голямо приложение при космически кораби, ракети и търговски самолети.
В началото на Втората световна война са навлезли системи за насочване V2, които комбинират два жироскопа и страничен акселерометър с обикновен аналогов компютър, за настройване на азимут за ракета в полет. Били са използвани аналогови компютърни сигнали за управление на четири - графитни кормила в ракетата (изпускателна система на обработените газове за управление на полета). GN & C (ориентиране, навигация и контрол) система за V2 включва много нововъведения, като интегрира платформа със затворен контур. В края на войната фон Браун конструира 500 от неговите най - добри ракетни механизма заедно с плановете и тестовите съоражения за американците. Те са пристигнали във Форт Блис, Тексас през 1945 г., съгласно разпоредбите на операция "Paperclip" и впоследствие през 1950 г. са преместени в Хънтсвил, Алабама, където са били използвани в Американската армия при научни прогрмите за ракетни изследвания.
В началото на 1950г., Американското правителство желае да се изолира от зависимостта на германския отряд за военни приложения, включително и развитието на вътрешното ръководство за ракетна програма. Контролноизмервателната лаборатотия на "MIT" е избрана от военновъздушните сили (Западна дивизия) за предоставяне на автономна резервна система за подкрепление за СONVAIR "в Сан Диего за новата междуконтинентална балистична ракета "Атлас".

Принципи на действие и приложение
Практически не съществува летателен апарат, управлението и ориентацията на който да се осъществява без жироскопични устройства. Заедно с акселерометрите те са основните източници на първична информация в инерциалните навигационни системи (ИНС). Значението на тези системи е да определят текущите координати на подвижен обект, скоростта на движение и пространствената му ориентация. Тази навигационна информация е необходимо непрекъснато да се визуализира в кабината и подава електрически сигнали в системите за автоматично управление, насочване и прицелване. Инерциалният метод за навигация има основно предимство - чрез него се решава навигационната задача непрекъснато, без да са необходими външни ориентири и без да се използват демаскиращи радиосигнали. Използва се гравитационното поле на Земята и ориентацията на обекта се определя относно нейната ос на въртене. Тази пълна автономност и независимост в работата на инерциалните навигационни системи се заплаща с нарастващи във времето грешки в изходната информация. Налага се използване на прецизни, високотехнологични жироскопи и усложнени алгоритми. В резултат на което се постигат изходни грешки, сравними с тези на глобалните радионавигационни системи.

В инерциалната навигационна система може да засекат промени в географските позиции (движение на север или юг; изток или запад), промяна в скоростта ( бързината и дирекцията на движение) и промяна в неговата ориентация ( въртенето около осите). Тя прави това чрез измерване на линейни и ъглови ускорения, които се прилагат към системата. Тъй като не се нуждае от външна препратка (след инициализацията), тя е имунизирана срещу заглушаване и измама.
Важен принос от използването на ИНС за гравитационни измервания по време на полет е разделянето на гравитационното ускорение от инерциалното, както и систематичните грешки. Инерциалното ускорение може да се отдели от измереното ускорение от ИНС с използване на различн тип система като GPS. Разделянето между гравитационното ускорение и систематичните грешки от ИНС се постига с внасянето на външна информация,т.е. ZUPT (Zero velocity update). Чрез периодично спиране на движещия се самолет се контролират неизвестните систематични грешки, т.е. чрез обратно подаване към системата на информация за начална скорост. Въпреки че методът е бил използван успешно в много случаи, все още е недостатъчно ефективен и доста скъп за комерсиални проучвания на обширни области. Този метод не може да се използва в зони, недостъпни за превозни средства като морски зони, пустини или планини. Друг начин за определяне на инерциалната скорост и координати е използването на подвижни и специално гравитационни изследвания от борда на самолет. Скаларната гравиметрия използва датчик за определяне на сумата от гравитационните и инерциалните ускорения на борда на самолет, както и вертикална позиционираща система- радар, лазерен алтиметър или GPS приемник. Скаларната гравиметрия самостоятелно определя ускоренията. На практика проблем е разделянето на гравитационното ускорение от негравитационните ускорения на самолета. Тези негравитационни ускорения могат да бъдат по- големи от гравитационния сигнал от 100 до 1000 пъти.
По настоящем в световната практика на корабоводенето се по голямо разпространение получават интегрираните навигационни системи. Един от вариантите на структорната схема на интегрираната навигационна система на фирмата "TRANVAS" , за най- перспективно направление се счита интеграцията между инерциялните и спътниковите данни. Внедряване на глобалната нави спътникова система (GPS) ГЛОНАСС) открива нови възможности в тази област. На корабите се монтират така наречените безплатформни ИНС, същността на които се състои в това, че блокът на чувствителните елементи( акселерометри и жироскопически датчици, измерващи ускоренията и ъгловите скорости) е твърдо или здраво свързано с корпуса, а всички необходими преобразувания се извърштат с изчислителят. Отсъствиетo от жиростабилизирана платформа, на която се разполагат чувствителните елементи, довежда до съсщественно упростяване на конструкцията на навигационната система и намаляване на нейната стойност. Това усигорява в бъдеще голямото им разпространение. Предимствата и недостатъците на ИНС и ГНСС( глобална навигационна спътникова система) са дадени в следната таблица
Системи ИНС и ГНСС
ИНС - Предимствата на системата са,че: е автономна; с висока скорост на изработване на координатите и ъглите на ориентация ( пътеви ъгъл, истински курс и др.);дава възможност за изработване на динамични параметри.
Недостатъците са: натрупване на грешки и проблеми с началната точка и калибровката; проблеми с определяне на курса към полюсите и зависимост от гравитационните анумалии.
ГНСС - Предимствата на системата са,че: не се натрупват грешки; няма зависимост от гравитационни анумалии; много малко време за подготовка; няма зависимост (значение) от ширината и дава възможност за измерване на времето.
Недостатъците са: има ниска защита от от грешки; има възможност от загубване на сигналите; начална нееднозначност на фазовите измервания; възможност за загубване на по голям брой измервания.

Грешки в системата на ИНС
Всички инерциални навигационни системи страдат от интеграционен дрейф: малки грешки в измерванията на акселерометарът и в ъгловата скорост се интегрират в прогресивно по-големи грешки в скоростта, които усложняват процеса на работа и грешките в позицията продължават да растат. Тъй като новата позиция се изчислява от предходната изчислената позиция и измереното ускорение и ъглова скорост, тези грешки се натрупват приблизително пропорционално на времето, тъй като първоначалната позиция е въведена. Затова позицията трябва да бъде периодично коригирана (т.е. входното въведение на данните в ИНС) от друг вид специално пригоден за тази цел прибор или навигационна система. Грешката или неточността в доброкачествен навигационен прибор трябва да бъде в нормални граници до 0.6 морски мили/час в позицията и от порядъка на десети от градуса/ час в ориентацията.
Съответно инерционната навигация обикновено се използва за допълване на други навигационни системи, осигуряващи по-висока степен на точност, отколкото е възможно с използването на всяка една система. За пример в земно използване, инерциално проследената скорост периодично се актуализира до нула чрез спиране. Чрез това спиране позициите ще бъдат прецизни за много по-дълъг период от време - това е така наречената нулева скоростна актуализация (zero velocity update).
Предимства
1.Мигновен изход от положението и скоростта;
2.Напълно самостоятелна (автономна) система;
3.Оперира при всякакви глобални климатични условия;
4. Много точен азимут и вертикално измерване по вектор;
5.Известни са характеристиките на грешките и могат да бъдат моделирани много добре;
6.Работи добре в хибридна система.
Недостатъци
1.Информацията с позиция-скорост деградира с течение на времето (1-2NM/час);
2.Оборудването е скъпо ($250 000 за цялостна система) - по старите системи имат относително по високи честоти на повредите и са по-скъпи за поддръжка;
3.Новите системи са по-надеждни, но поддръжката им е също толкова скъпа;
4.Необходимо е първоначално подравняване
Стабилна платформа
Оригиналните инерционни навигационни системи (INS) са реализирани с помощта на стабилна механизационна платформа, но всички нови системи използват статични система. Що се отнася до стабилната платформа има три належащи проблема за разрешаване:
1.Платформата на акселерометъра(ускорителя) трябва да бъде механически изолирана от движенията и въртенето на тялото.
2.Самлоетът се движи през сферична повърхност и по този начин посоката на гравитационния вектор се променя с позицията му.
3. Земята се върти около оста си и по този начин посоката на гравитационните вектори се променя във времето.
Платформна изолация
Платформата е изолирана от въртенето на въздухоплавателното средство с помощта на карданна система.
1.Платформата е свързана с първия кардан с помощта на два шарнирни болта заедно с вертикалната ос. Това изолира по оста около вертикалната ос.
2.Вътрешният кардан е свързан към втори кардан чрез два шарнирни болта заедно с хоризонталната ос.
3.Вторият кардан е свързан към ИНЕ(инерциална навигационна единица) за шаси с помощта на два шарнирни болта за напречната ос.
Така платформата е напълно изолирана от въртенето на самолета.



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Инерциална навигационна система 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.