Что такое инерционная навигационная система
- Информация о материале
- Категория: Транспорт
Когда полет корабля проходит над территорией, где нет станций радионаведения, скажем, над океаном, то летчики определяют свое местоположение с помощью ИНС — инерционной навигационной системы.
Эта система состоит из гидроскопа и встроенных акселерометров (измерителей ускорения) и помогает вычислить направление полета, его скорость и пройденное расстояние. Гироскоп позволяет выдерживать при полете нужный угол относительно силы тяжести, направленной вниз. Акселерометры, расположенные в горизонтальном стабилизаторе, определяют величину ускорения самолета во всех трех направлениях и передают ее значение в бортовой компьютер. А тот использует полученные данные, чтобы вычислить все параметры движения и координаты корабля. ИНС связана с автопилотом, находящимся в кабине командира корабля. Перед взлетом командир вводит в компьютер полетные данные: курс, скорость и высоту. Пользуясь этой информацией, компьютер управляет полетом до его окончания, поддерживая заданный курс без дополнительной помощи с земли.
ИНС (инерционная навигационная система)
В стабилизаторе находятся два акселерометра. Х-акселерометр определяет ускорение в направлениях восток-запад, а У-акселерометр — в северном и южном направлениях. В полете воздушный корабль постоянно испытывает ускорения. Запись данных, получаемых с акселерометров, позволяет вычислить скорость полета и пройденное расстояние.
Оси X, У и Z
Акселерометры осей X и У измеряют ускорение в любом азимутальном направлении. По оси Z измеряют вертикальное ускорение. Оно позволяет определять скорость подъема и снижения самолета.
Система «Омега»
Система «Омега» позволяет определить местоположение самолета путем вычисления разницы во времени получения радиосигналов, переданных двумя наземными станциями. Для передачи своих сигналов система «Омега» использует волны очень низкой частоты (ОНЧ) от 10 до 14 кГц. Сеть «Омеги», состоящая всего из восьми таких станций, охватывает сигналами небо над всей планетой. Станции «Омега» расположены в штате Северная Дакота, на Гавайях, в Норвегии, Аргентине, Австралии, Японии и острове Реюньон в Индийском
ИНС в кабине пилота
Система ИНС, установленная в кабине пилота, на первый взгляд сложная, на самом деле проста в обращении. Пилот на клавиатуре вводит полетные данные, и затем через некоторое время на указателе «селектор мод» загорается зеленая лампочка. Это значит, что бортовой компьютер принял данные.
Все данные сходятся воедино
Начальные полетные данные, заложенные в ИНС, включают в себя широту и долготу пункта назначения и наземные ориентиры по ходу маршрута. Компьютер обрабатывает эту информацию вместе с данными, полученными от акселерометров, и вычисляет скорость самолета и пройденный им путь. Приборы в кабине пилота также показывают скорость движения машины в воздухе и ее скорость относительно земли, текущие координаты, направление полета и скорость и направление ветра.
Воздушный корабль, оснащенный ИНС, может определить свое местоположение, находясь в любой точке земного шара.
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
|
RU2325620C2 * |
2006-05-24 | 2008-05-27 | Открытое акционерное общество «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» | Преобразователь инерциальной информации |
|
RU2378618C2 * |
2008-02-18 | 2010-01-10 | ФГУП «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им.академика Н.А.Пилюгина» (ФГУП «НПЦАП им.академика Н.А.Пилюгина») | Широкодиапазонный стенд для контроля измерителей угловой скорости |
|
US20100114517A1 * |
2007-04-02 | 2010-05-06 | Nxp, B.V. | Method and system for orientation sensing |
|
US20100268414A1 * |
2007-06-08 | 2010-10-21 | Eurocopter | Method and system for estimating the angular speed of a mobile |
Info
- Publication number
- RU2483279C1
RU2483279C1
RU2011144949/28A
RU2011144949A
RU2483279C1
RU 2483279 C1
RU2483279 C1
RU 2483279C1
RU 2011144949/28 A
RU2011144949/28 A
RU 2011144949/28A
RU 2011144949 A
RU2011144949 A
RU 2011144949A
RU 2483279 C1
RU2483279 C1
RU 2483279C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
calculating
unit
accelerometers
coordinate system
accelerations
Prior art date
2011-11-08
Application number
RU2011144949/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2011144949A
(ru
Inventor
Александр Леонидович Стемпковский
Александр Николаевич Соловьев
Валерий Евгеньевич Алексеев
Александр Владимирович Саблин
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН (ИППМ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
2011-11-08
Filing date
2011-11-08
Publication date
2013-05-27
2011-11-08Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН (ИППМ РАН)
filed
Critical
Учреждение Российской академии наук Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН (ИППМ РАН)
2011-11-08Priority to RU2011144949/28A
priority
Critical
patent/RU2483279C1/ru
2013-05-20Publication of RU2011144949A
publication
Critical
patent/RU2011144949A/ru
2013-05-27Application granted
granted
Critical
2013-05-27Publication of RU2483279C1
publication
Critical
patent/RU2483279C1/ru
Устройство инерциальной системы
Основа работы ИНС заключается в измерении ускорений летательного аппарата и его угловых скоростей относительно трех осей самолета для того, чтобы исходя из этих данных определить местоположение самолета, его скорость, курс и другие параметры. По результатам анализа объект стабилизируется, и может использоваться автоматическое управление.
Лазерный гироскоп
Для сбора информации о полете в состав ИНС включаются акселерометры, считывающие линейное ускорение, и гироскопы, позволяющие определить углы наклона самолета относительно основных осей: тангаж, рысканье и крен. Точность полученной информации зависит от характеристик этих приборов. Анализом данных занимается компьютер, который затем по определенным навигационным алгоритмам корректирует движение объекта.
ИНС делятся на платформенные и бесплатформенные. Основой для платформенных ИНС служит гиростабилизированная платформа. В бесплатформенных системах акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора. Функции платформы моделируются математически вычислительной системой. Бесплатформенные системы выгодно отличаются меньшим весом и габаритами, а также возможностью работать при значительных перегрузках.
Преимущества ИНС перед другими навигационными системами заключаются в их полной независимости от внешних источников данных, повышенной защите от помех, высокой информативности и возможности передавать информацию на большой скорости. Отсутствием какого-либо излучения при работе ИНС обеспечивается скрытность объекта, на котором она используется.
Недостатком ИНС можно назвать ошибки, которые накапливаются с течением времени в получаемой от приборов информации. Это могут быть как методические ошибки, так и ошибки, связанные с неверной начальной настройкой оборудования. Для их коррекции создаются интегрированные навигационные системы, где данные, получаемые ИНС, дополняются данными, поступающими от неавтономных систем, например спутниковой навигации. Еще одним относительным минусом ИНС является высокая стоимость входящего в их состав оборудования.
Принцип работы инерциальной системы навигации
Инерциальная система навигации состоит из устройств, методов обработки данных и вычислительных алгоритмов, которые позволяют определять положение конкретного объекта в пространстве и времени. Принципы инерциальной навигации положены в основу инерциального измерительного блока (IMU), используемого Navigine, который состоит из акселерометра, гироскопа и магнитометра. Эти датчики, установленные в большинстве современных мобильных устройств, могут улавливать любое изменение положения человека с телефоном в руке: поворот, встряхивание и движение. Сигналы с данных устройств могут обрабатываться одновременно или по-отдельности, если одно из них недоступно. Для корректной интеграции данных с разных источников измерений необходимо применять механизмы фильтрации. Компания Navigine использует алгоритмы, которые базируются на комплементарном фильтре для обработки данных и сглаживания результатов.
Navigine Tracking
Платформа, учитывающая местоположение, для цифровой трансформации предприятий.
Больше
Акселерометр
Акселерометр измеряет ускорение и предоставляет данные в 3D пространстве. Наиболее распространенные акселерометры предназначены для использования трех одномерных акселерометров, каждый для одного направления. Так же, как и магнитометр, гироскоп получает данные в трех измерениях, но навигация выполняется только в двух измерениях. Именно поэтому, акселерометр имеет решающее значение в определении направления силы тяжести. Измерения от других датчиков могут проецироваться на поверхность, перпендикулярно вектору силы тяжести.
Педометр
Педометр фиксирует пики амплитуды ускорения тела. Когда пользователь стоит без движения, ускорение остается практически постоянным, но не равным нулю, вследствие силы тяжести. Во время движения можно наблюдать определенные закономерности. Это позволяет обнаруживать шаги. Перед анализом сигналов необходимо произвести предварительную обработку данных, так как некоторые измерения могут содержать шум. Входящие сигналы могут быть очищены с помощью фильтра низких частот и и скорректированы в соответствие с величиной ускорения свободного падения. Шаг определяется с помощью порогового значения. Момент, когда ускорение выходит за пороговое значение, считается началом шага. Когда ускорение опускается ниже порогового значения, фиксируется конец шага. Длина шага рассчитывается путем учета информации об ускорении в начале и в конце шага, времени, затраченном на один шаг, общем времени и общей дистанции.
Гироскоп
Гироскоп измеряет угловую скорость с помощью эффекта Кориолиса. В зависимости от типа, гироскоп оценивает силу, созданную вращением устройства. С течением времени, угол вращения интегрируется, чтобы вычислить изменение ориентации в течение определенного периода времени. Гироскоп дает более точные данные в краткосрочном периоде навигации по сравнению с магнитометром. Однако когда дело касается более длительного периода, данные гироскопа менее точные из-за накапливания ошибок в процессе интеграции.
Магнитометр
Данный датчик измеряет магнитное поле Земли, используя магнитосопротивление или эффект Холла. Ориентация устройства сопоставляется с северным магнитным полюсом. Таким образом, обеспечивается абсолютная ориентация. Так как металлические объекты внутри строений могут оказывать влияние на магнитное поле, навигация внутри помещений с помощью магнитометра не является достаточно точной.
Возможно, вам также будет интересно
Введение При усложнении процессорных архитектур становится все труднее использовать язык assembler, все чаще прибегают к абстракции через использование языка С либо операционных систем. Это, с одной стороны, позволяет быстро выйти на рынок с новой архитектурой и стандартными средствами разработки GCC, а с другой — не позволяет достичь расчетной максимальной производительности для данной архитектуры. Во многом
Большинство из разработанных ранее линейных стабилизаторов характеризуются высоким значением пускового тока, необходимого для заряда выходных конденсаторов и обеспечения нагрузочных характеристик.
Акселерометры Colibrys для навигационных систем
Компания Colibrys занимает особую позицию среди производителей МЭМС-акселерометров, специализируясь на изделиях класса hi-end, применяемых в экстремальных условиях, а также критических по безопасности промышленных системах и приборостроении. Акселерометры Colibrys включают в себя высокостабильные инерциальные датчики, датчики наклона и датчики вибрации.
Конструкция акселерометров Colibrys
Конструкция акселерометров, получившая широкое распространение, представляет собой инерциальную массу, которая связывается с корпусом упругим подвесом — пружиной того или иного рода. Именно такой подход реализован в акселерометрах Colibrys. Чувствительный элемент формируется из трех кремниевых пластин, образующих трехслойную вертикальную структуру. Верхняя и нижняя пластины образуют соответствующие крышки элемента, на которых сформированы неподвижные электроды конденсаторов. В средней пластине методом объемной микрообработки кремния изготавливается инерциальная масса с упругим подвесом и формируются боковые стенки элемента. На верхней и нижней поверхности инерциальной массы формируются подвижные электроды конденсаторов. Все три пластины свариваются между собой при высокой температуре и низком давлении. Таким образом, создается система из двух емкостей с подвижными электродами, имеющая большее усиление за счет большего изменения емкости при смещении массы, что достигается небольшими зазорами и большой площадью электродов конденсаторов. Кроме того, эта конструкция имеет броуновское движение из-за большой массы.
Рис. 7. Схема конструкции чувствительного элемента акселерометра Colibrys
Принцип действия чувствительного элемента с дифференциальной емкостью основан на механической системе с упругим подвесом инерциальной массы. При нулевом ускорении инерциальная масса находится в центральном положении между двумя параллельными кремниевыми пластинами, а под воздействием ускорения смещается в одну из сторон, изменяя тем самым пропорционально ускорению величины емкости верхнего и нижнего конденсаторов. Большая емкость (235 пФ) обеспечивает достаточную величину выдаваемого сигнала в малошумящую и высокостабильную электронику для надежной обработки сигналов.
Структура чувствительного элемента изготавливается из монокристаллического кремния, имеющего очень низкое остаточное напряжение, тем самым снижаются возможность ее изгиба и влияние на параметры измерений. Структура имеет очень высокую степень симметрии для обеспечения максимально низкого смещения и максимально высокой стабильности характеристик.
Ключевое свойство обеспечения параметров датчика — газовое демпфирование МЭМС-элемента, которое необходимо очень тщательно контролировать не только для того, чтобы получить управляемую полосу пропускания, но и для снижения ошибок коррекции. Эта величина представляет порядок нелинейности и в результате приводит к смещению, когда датчик подвержен синусоидальной или случайной вибрации. Демпфирование особенно критично для инерциальной навигации. Электроника, считывающая полезный сигнал с чувствительного элемента (собственная разработка Colibrys), работает по принципу самоуравновешивающегося емкостного считывания. Схема реализована на базе высокостабильной ASIC с энергопотреблением ниже 390 нА при 5 В. Электронный блок имеет сброс по включению питания и защиту от снижения напряжения для обеспечения надежного выходного сигнала в самых жестких условиях. Акселерометр содержит PIC-микроконтроллер, используемый в процедурах запуска и сброса при снижении напряжения. Для обеспечения температурной компенсации в корпуса акселерометров устанавливаются датчики температуры.
Рис. 8. Внутреннее устройство датчика MS8000
Практически все датчики производства Colibrys автономны, размещаются в керамических корпусах LCC20 (кроме MS7000 — корпус ТО8), рассчитаны на работу в диапазоне температур от –55 до +125 °C и имеют стойкость к ударам до 6000 g, при которых технические характеристики датчиков остаются в рамках спецификаций. Для работы датчиков требуется одна питающая цепь с напряжением 2,5–5,5 В и током <0,5 мA при 5 В. На выходе каждого акселерометра в качестве полезного сигнала — аналоговое напряжение, изменяющееся пропорционально ускорению в диапазоне 0,5–4,5 В (при напряжении питания 5 В).
Общие сведения
Инерциальная навигационная система (система инерциальной навигации, навигационное устройство), в основу работы которой положены классические (ньютоновские) законы механики. В ИНС исходной (главной) системой отсчёта, по отношению к которой производятся инерциальные измерения, служит инерциальная (абсолютная, т. е. неподвижная относительно звёзд) система. Посредством ИНС определяют координаты, скорость, ускорение и др. основные параметры движения объекта (самолёта, ракеты, космического корабля, надводных и подводных судов и др.). ИНС имеют перед другими навигационными системами большие и важные преимущества — универсальность применения, возможность определения основных параметров движения, автономность действия, абсолютную помехозащищенность. Эти качества определили ИНС как наиболее перспективную навигационную систему.
Принцип действия
Принцип действия ИНС состоит в моделировании поступательного движения объекта, характеризуемого изменением во времени ускорения,
скорости и координат, подобным процессом движения воспринимающего элемента (массы) пространственного (трёхкомпонентного) акселерометра (в общем случае с компенсацией гравитационного ускорения).
Исходной информацией для инерциальной навигационной системы является ускорение судна, на котором она установлена. Двойное интегрирование вектора ускорения дает необходимую информацию для вычисления скорости и координат. ИНС не связана с внешними источниками информации (курс, скорость). Ориентирование измерительных осей акселерометров по заданным направлениям производится свободными или управляемыми (по сигналам от акселерометров) гироскопическими устройствами (гироскопом, гиростабилизатором, гирорамой и др.) или астростабилизаторами, а также сочетанием этих средств.
ИНС весьма сложны и дорогостоящи. Срок службы их меньше, чем у обычных гироскопических приборов. Для правильного функционирования перед стартом объекта требуется ввести начальные данные по координатам пункта старта и скорости, произвести ориентирование инерциальных измерителей. Точность некорректируемых инерциальных навигационных систем зависит от времени. Поэтому возможность получения информации от системы, удовлетворяющей заданным требованиям, ограничена во времени. Так, за час полёта лучшие образцы ИНС имеют погрешность в определении координат примерно 1,5—5 км. Для уменьшения погрешностей и расширения возможностей использования применяют различные способы коррекции от радионавигационных, радиолокационных и астронавигационных средств.
XXI век
В последнее десятилетие наиболее распространенным типом ИНС стали бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС). Они широко применяются в аэрокосмической технике и начали применяться в морских и наземных системах. Это стало возможным после преодоления ряда сложных технических проблем. В ИНС надводных кораблей и судов обычно используются динамически настраиваемые или поплавковые гироскопы. Они обеспечивают выработку навигационных данных и гироскопическую стабилизацию вооружения и различных технических средств корабля. Курс вырабатывается с точностью порядка единиц угловых минут, координаты – с точностью порядка нескольких десятков метров, углы качки – с точностью не хуже 1 угл. мин. В литературе можно встретить совмещенные измерители ИНС / ГАГК (гиро-азимут-горзонт компас) в основе работы которого лежит инерциальный принцип. Согласно протоколам обмена, мы получаем объединенный вектор навигационных параметров этих систем.
Формула изобретения RU 2 193 754 C1
Инерциальная навигационная система, содержащая платформу в кардановом подвесе, азимутальный и горизонтальные гироскопы с управляемой скоростью прецессии, акселерометры, первые интеграторы, подключенные через масштабирующие блоки между выходами акселерометров и входом для управления гироскопами, вторые интеграторы, подключенные к выходам первых интеграторов, причем один из вторых интеграторов, вырабатывающий широту места, через масштабирующий блок и блок вычисления синуса и косинуса широты соединен с входами управления гироскопами, внешний измеритель параметров движения, соединенный со входом фильтра Калмана, выходы которого подключены к сумматорам смещения нуля акселерометров и входам для управления горизонтальными гироскопами, отличающаяся тем, что между входами управления гироскопами, входами сумматоров смещения нуля акселерометров и выходами фильтра Калмана введено устройство выработки дискретного корректирующего сигнала, состоящее из блока формирования матрицы влияния управления, подключенной к блоку формирования переходной матрицы управления, выход которого соединен с блоком усечения матриц, второй вход которого соединен с фильтром Калмана, один выход блока усечения соединен с блоком умножений, а второй выход, передающий усеченную матрицу влияния управления, через блок инверсии присоединен ко второму входу блока умножений, третий вход которого связан с фильтром Калмана, при этом выход блока умножений подключен ко входу блока формирования суммарного управления, выходы которого через блок ограничения и контроля допустимого уровня управления соединены со входами управления гироскопами и входами сумматоров смещения нуля акселерометров, причем выходы блока ограничения через блок учета управления соединены с соответствующими входами фильтра Калмана.
