INS Inertial Navigation System Инерциальная навигационная система

Инерциальная навигационная система (ИНС) —  это навигационное устройство, которое использует компьютер, датчики движения (акселерометры) и датчики вращения (гироскопы) для непрерывного вычисления путем счисления координат положения, ориентации и скорости (направления и скорости движения) движущегося объекта без необходимости внешних данных. Часто инерциальные датчики дополняются барометрическим высотомером, а иногда и магнитными датчиками (магнитометрами) и/или устройствами измерения скорости. ИНС используются на мобильных роботах и на транспортных средствах, таких как корабли, самолеты, подводные лодки, управляемые ракеты и космические аппараты.

Инерциальная навигация — это автономный навигационный метод, в котором измерения, выполняемые акселерометрами и гироскопами, используются для отслеживания положения и ориентации объекта относительно известной начальной точки, ориентации и скорости. Инерциальные измерительные блоки (IMU) обычно содержат три ортогональных скоростных гироскопа и три ортогональных акселерометра, измеряющих угловую скорость и линейное ускорение соответственно. Обрабатывая сигналы от этих устройств, можно отслеживать положение и ориентацию устройства.

Инерциальная навигация применяется во многих сферах, включая навигацию самолетов, тактических и стратегических ракет, космических аппаратов, подводных лодок и кораблей, встроен в мобильный телефон с целью определения местоположения мобильного телефона и отслеживания. Последние достижения в области создания микроэлектромеханических систем (MEMS) позволили создать маленькие и легкие инерциальные навигационные системы. Эти достижения расширили диапазон возможных применений, включив в него такие области, как захват движений человека и животных.

Инерциальная навигационная система включает в себя: компьютер и платформу или модуль, содержащий акселерометры, гироскопы или другие датчики движения. ИНС изначально получает положение и скорость от другого источника (человека-оператора, спутникового приемника GPS и т. д.) вместе с начальной ориентацией и после этого вычисляет свое собственное положение и скорость, интегрируя информацию, полученную от датчиков движения. Преимущество INS заключается в том, что он не требует внешних воздействий для определения своего положения, ориентации или скорости после инициализации.

ИНС может обнаружить изменение своего географического положения (например, перемещение на восток или север), изменение своей скорости (скорости и направления движения) и изменение своей ориентации (вращение вокруг оси). Он делает это путем измерения линейного ускорения и угловой скорости, приложенных к системе. Поскольку он не требует внешнего воздействия (после инициализации), он невосприимчив к помехам и ошибкам.

Инерциальные навигационные системы используются на многих движущихся объектах. Однако их стоимость и сложность накладывают ограничения на условия, в которых они практически применимы.

Гироскопы измеряют угловую скорость рамки датчика относительно инерциальной системы отсчета. Используя исходную ориентацию системы в инерциальной системе отсчета в качестве начального условия и интегрируя угловую скорость, текущая ориентация системы всегда известна. Это похоже на способность пассажира с завязанными глазами чувствовать, как автомобиль поворачивается влево и вправо или наклоняется вверх и вниз, когда автомобиль поднимается или спускается с холмов. Основываясь только на этой информации, пассажир знает, в каком направлении движется автомобиль, но не знает, насколько быстро или медленно он движется.

Акселерометры измеряют линейное ускорение движущегося транспортного средства в датчике или рамке кузова, но в направлениях, которые могут быть измерены только относительно движущейся системы (поскольку акселерометры закреплены в системе и вращаются вместе с системой, но не определяют своей собственной ориентации).Это похоже на способность пассажира с завязанными глазами в автомобиле чувствовать себя прижатым к сиденью, когда автомобиль ускоряется вперед или  когда он замедляется. Основываясь только на этой информации, он знает, как автомобиль ускоряется относительно самого себя, то есть ускоряется ли он вперед, назад, влево, вправо, вверх (к потолку автомобиля) или вниз (к полу автомобиля), измеренное относительно автомобиля, но не направление относительно Земли, так как он не знает, в каком направлении автомобиль направлялся относительно Земли, когда он почувствовали ускорение.

Однако, отслеживая как текущую угловую скорость системы, так и текущее линейное ускорение системы, измеренное относительно движущейся системы, можно определить линейное ускорение системы в инерциальной системе отсчета. Выполнение интегрирования по инерционным ускорениям (используя исходную скорость в качестве начальных условий) с использованием правильных кинематических уравнений дает инерционные скорости системы, а интегрирование снова (используя исходное положение в качестве начального условия) дает инерционное положение. В нашем примере, если пассажир с завязанными глазами знал, как автомобиль был направлен и какова его скорость до того, как он был с завязанными глазами, и если он в состоянии отслеживать, когда автомобиль повернул и как он ускорялся и замедлялся с тех пор, то он может точно определить текущее положение и скорость автомобиля в любое время.

Инерциальные навигационные системы первоначально разрабатывались для ракет. Американский пионер ракетостроения Роберт Годдард экспериментировал с элементарными гироскопическими системами. Эти системы получили более широкое применение с появлением космических кораблей, управляемых ракет и коммерческих авиалайнеров.

Ранние немецкие системы наведения Второй мировой войны V2 объединяли два гироскопа и боковой акселерометр с простым аналоговым компьютером для регулировки азимута для ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для приведения в действие четырех графитовых рулей в выхлопе ракеты для управления полетом. Система Gn&C (наведение, навигация, и управление) для V2 обеспечила много нововведений как интегрированная платформа с наведением короткозамкнутого витка. 

В начале 1950-х годов американское правительство хотело ограничить зависимость от немецкой команды в области военного применения, включая разработку полностью отечественной программы наведения ракет. Массачусетский технологический институт выбрали для обеспечения автономного резервного копирования системы наведения Convair в Сан-Диего и создания новой межконтинентальной баллистической ракеты «Атлас». Система наведения «Атлас» должна была представлять собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы слежения и управления. Автономная система в конечном счете возобладала в применении баллистических ракет по очевидным причинам.

Первая «Дельта» — система наведения оценивала разницу в положении от исходной траектории. Вычисление скорости, которую необходимо получить (VGO), производится для коррекции текущей траектории с целью приведения VGO к нулю. Математика этого подхода была фундаментально обоснована, но отвергнута из-за проблем с точным инерциальным наведением и аналоговой вычислительной мощностью. Проблемы, с которыми столкнулись «Дельта», преодолела система Q. Революция системы Q заключалась в том, чтобы связать задачи наведения ракеты (и связанные с ними уравнения движения) в матрице Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости относительно вектора положения. Ключевая особенность этого подхода позволила использовать компоненты векторного кросс-продукта (v, xdv, /dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота — метод, который стал известен как кросс-продукт рулевого управления. Q-система была представлена на первом техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, состоявшемся в корпорации Рамо-Вулдридж в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. Система Q была секретной информацией вплоть до 1960-х гг. производные этого наведения используются для современных ракет.

ИНС содержат инерциальные измерительные блоки (IMU), которые имеют угловые и линейные акселерометры (для изменения положения); некоторые IMU включают гироскопический элемент (для поддержания абсолютного углового ориентира).

Угловые акселерометры измеряют, как корабль вращается в пространстве. Как правило, имеется по крайней мере один датчик для каждой из трех осей: тангажа (нос вверх и вниз), рыскания (нос влево и вправо) и крена (по часовой стрелке или против часовой стрелки из кабины).

Линейные акселерометры измеряют негравитационные ускорения транспортного средства. Поскольку он может перемещаться по трем осям (вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад), для каждой оси имеется линейный акселерометр.

Компьютер постоянно вычисляет текущее положение автомобиля. Во-первых, для каждой из шести степеней свободы (x,y,z и θx ,yy и zz) он интегрирует с течением времени ощущаемое ускорение вместе с оценкой силы тяжести для вычисления текущей скорости. Затем он интегрирует скорость для вычисления текущего положения.

Инерциальное наведение затруднительно без компьютеров. Желание использовать инерциальное наведение в ракете Minuteman и проекте Apollo привело к ранним попыткам уменьшения размера компьютеров.

В настоящее время инерциальные системы наведения обычно объединяются со спутниковыми навигационными системами посредством цифровой системы фильтрации. Инерциальная система обеспечивает получение краткосрочных данных, а спутниковая система исправляет накопленные ошибки инерциальной системы.

Инерциальная система наведения, которая будет работать вблизи поверхности земли, должна включать тюнинг Шулера таким образом, чтобы ее платформа продолжала указывать в сторону центра Земли, когда транспортное средство перемещается с места на место.