Инерциальная навигация – это навигация, осуществляемая автономными средствами, т.е. на основании информации, измеренной только на борту объекта с помощью бортовых измерительных средств: акселерометров, гироскопов и др. Основная идея инерциальной навигации заключается в двукратном интегрировании ускорений, полученных с датчиков акселерометров для получения текущих координат объекта. В состав ИНС: 1. Датчиков линейного ускорения - акселерометров; 2. Гироскопических устройств, воспроизводящих на объекте систему отсчёта (например, с помощью гиростабилизированной платформы) и позволяющих определять углы поворота и наклона объекта, используемые для его стабилизации и управления движением; 3. Вычислительных устройств, которые по ускорениям (путём их интегрирования) находят скорость объекта, его координаты и другие параметры движения Ускорение носит абсолютный характер. Наблюдатель, находящийся внутри объекта, обнаружит ускоренное движение благодаря тому, что на него будет действовать сила инерции. Все измерительные устройства, основанные на различных физических принципах (механических, оптических и т.д.), будут реагировать на силу инерции и тем самым установят факт ускоренного движения объекта без привлечения какой-либо внешней информации. В соответствии со вторым законом Ньютона информацию о координатах тела принципиально можно получить, измерив внешние силы, приложенные к телу. Производя его интегрирование при известных начальных условиях можно найти координаты тела (навигационную информацию). Однако измерить приложенные к объекту внешние силы весьма сложно. Например, если подвижным объектом является летательный аппарат, то к нему прикладываются следующие силы: сила, развиваемая двигателем, аэродинамическая сила, управляющие силы и различные возмущающие силы, не поддающиеся точному описанию. Поэтому целесообразно измерять не приложенные к объекту силы, а ускорения. В простейшем случае при рассмотрении движения на плоскости решение навигационной задачи сводится к решению двух уравнений. Однако на практике измерительные оси акселерометров не совпадают с направлениями осей координат, потому возникает задача определения углового положения измерительных осей акселерометров относительно осей навигационной системы координат. Для автономного определения координат местоположения объекта при его движении вдоль сферической поверхности Земли впервые в начале ХХ века М. Керри (США) и В. Алексеев (Россия) независимо друг от друга предложили гироскопическое устройство, принцип действия которого заключалось в следующем. Допустим, объект перемещается в плоскости меридиана сферической Земли. Рис 1 – Инерциальный способ определения координат объекта на сферической Земле В точке 1 пункта отправления запускаются два гироскопа, один из которых свободный, сохраняющий свою главную ось неподвижной относительно инерциального пространства, второй выполнен по схеме гировертикали (комбинация маятника и гироскопа), т.е. является указателем местной вертикали. Объект перемещается в точку 2, в результате чего широта изменяется на величину . Свободный гироскоп в силу своего свойства сохранять неизменной направление главной оси относительно инерциального пространства имеет в точке 2 тоже направление главной оси, что и в точке 1. Главная ось гировертикали в точке 2 совпадает с направлением местной вертикали. Тогда приращение широты можно определить автономно, без связи с внешним миром, как угол между двумя направлениями, воспроизводимыми главными осями гироскопов. Решение задачи навигации и построения вертикали на борту объекта тождественны между собой Определение направления истинной вертикали на борту подвижного объекта принципиально возможно с помощью физического маятника. Согласно теореме Шуллера, существует такие параметры физического маятника, обладающего периодом колебаний 84,4, при которых во время его движения вдоль поверхности Земли плечо маятника будет оставаться вертикальным. Такой маятник называется маятником Шуллера. Акселерометр. Акселерометр (датчик удельной силы, ньютонометр) – это прибор, который с помощью чувствительного элемента, позволяет определить кажущееся ускорение объекта навигации. В простейшем случае акселерометр представляет собой комбинацию пружины и инерционной массы, являющейся чувствительным элементом. Рис 2 – Идеализированная схема однокомпонентного акселерометра Перемещение чувствительного элемента относительно корпуса акселерометра является мерой ускорения объекта. Однако измерение ускорения с помощью акселерометров осложняется тем, что последние измеряют не только ускорение объекта, но и ускорение, создаваемое гравитационным полем Земли. Рис 3 На рисунке акселерометр неподвижен относительно поверхности Земли и на чувствительный элемент действует сила тяготения mg, вследствие чего пружина растягивается на некоторую величину. Во втором случае, акселерометр перемещается вертикально далеко от поверхности Земли с ускорением g, в результате чего на чувствительный элемент действует сила инерции, направленная вниз и, растягивающая пружину на такую же величину, что и в первом случае. Таким образом, реакция акселерометра на силу тяготения Земли эквивалентна силе инерции, т.е. фиктивной силе вызванной вертикальным перемещением объекта с ускорением g. В связи с этим акселерометр позволяет измерять не истинное ускорение объекта, а лишь, так называемое, кажущееся ускорение – геометрическую разность между абсолютным ускорением объекта и ускорением силы тяготения. Рис 4 Пусть ракета находится на пусковой установке, а на ее борту размещен акселерометр, измерительная ось которого совпадает с продольной осью ракеты. В этом случае вес ракеты уравновешивается реакцией пусковой установки и истинное ускорение ракеты равно нулю: а = 0. На чувствительный элемент акселерометра действует сила тяжести mg, обусловленная силами тяготения, вследствие чего пружина растянется на определенную величину, при которой ее упругая сила уравновесит силу тяжести. Примем положительным сигнал акселерометра, при котором его чувствительный элемент отклоняется вниз. Таким образом, акселерометр будет регистрировать ускоренное перемещение ракеты величиной 1g, хотя по-прежнему ракета неподвижна. Понятно, что аналогичные показания будет иметь акселерометр на любом наземном объекте. Отсюда видно несоответствие между показаниями акселерометра и истинным ускорением ракеты. Допустим теперь, что ракета свободно падает без сопротивления воздуха под действием силы тяготения 1g (б). Однако поле тяготения одинаково действует как на ракету, так и на акселерометр, сообщая им ускорение 1g, поэтому нет никаких причин, которые бы могли вызвать перемещение инерционной массы акселерометра относительного его корпуса. Это явление, как известно, называется невесомостью. В связи с этим акселерометр, вопреки своему названию, не будет регистрировать ускоренного движения ракеты, т.е. его показания будут 0g. Аналогичное явление наблюдается при полете искусственного спутника Земли при отсутствии сопротивления среды. Если есть сопротивление воздуха, то акселерометр регистрирует только ускорение (торможение), создаваемое воздухом. Пусть теперь ракета перемещается вверх под действием силы тяги двигателя Р без учета сопротивления воздуха (в) На рисунке 5 изображена схема пространственного акселерометра. В данном случае наблюдателю, связанному с корпусом ньютонометра, единственным воздействием на чувствительную массу m представляется воздействие упругих сил подвеса, характеризующими а это параметрами, воздействие, представляются величины деформации подвеса, по которым и судят о кажущемся ускорении объекта. Такие акселерометры, хотя принцип их работы довольно прост и очевиден, обладают радом недостатков, которые связаны с неточностью определения величины деформации пружин, помимо этого действительная зависимость величины деформации упругой силы может отличаться от расчетной, также сама расчетная модель может оказаться весьма неточной. Акселерометр был изобретён в конце 19-го века и предназначался для установки в автомобилях и паровозах для контроля за скоростью. Первые акселерометра были механические, а потому являлись тяжелыми и громоздкими. (сюда пожалуйста найди картинку такого старого акселерометра) Как же работает современный акселерометр? (Для этого слайда из присланного видео (1. Акселерометры) вставляем с 02.26 – 02.35) В настоящее время наиболее распространённым типом акселерометра является пьезоэлектрический. В основе таких датчиков лежит грузик, который давлением воздействует на пьезокристалл. Пьезоэлектрический заключается в прямом преобразовании механической энергии в электрическую в материалах, имеющих кристаллическую структуру, включающую в себя электрические диполи. Эти датчики работают в частотном диапазоне менее 2 Гц....5кГц. Они также обладают хорошим подавлением внеосевых шумов, высокой линейностью и широким температурным диапазоном (до 120 сС). Хотя иногда в качестве чувствительных элементов применяются кварцевые кристаллы, все же большее распространение для этих целей получили керамические пьезоэлектрические материалы, такие как титанат бария, титанат цирконат свинца (PZT) и метаниобат свинца. θ (Далее слайд с видео 1.(Акселерометры) с 01.07 – 01.44) В современных приборах акселерометр представляет собой миниатюрный чип, внутри которого находится инертное масса. Принцип работы такого чипа схож с классическим акселерометром: инертная масса меняет свою позицию во время ускорения. Сам чип представляет собой неподвижный корпус, к которому на специальных упругих приставках крепится перегородка с введёнными в сторону проводниками. Эти Отводы размещается между контактами, которые снимают показания. При перемещении отводов напряженность поля вокруг контактов меняет свое значение. Это и служит показателями для измерения. Такой миниатюрный акселерометр входит в состав современных мобильных устройств и используется для фиксации поворотов смартфонов, смене ориентации, используется для навигационные измерений и трекеров активности. Струнные акселерометры находят применение в инерциальных системах управления. В акселерометрах со струнными преобразователями 1 и 5 смещение массы т меняет упругие свойства струн 2 и 4, натянутых в направлении оси чувствительности. Упругий подвес 3 исключает движение массы т в поперечном направлении. Сумма частот колебаний струн 2 и 4(f1 +f2) поддерживается постоянной посредством регулирующего устройства 8, для чего она сравнивается с эталонной частотой fо, вырабатываемой генератором 6. Разность Δf = (f1+f2)—fo используется для управления механизмом 7 натяжения струн. При поддержании значения (f1+f2) постоянным получается линейная зависимость между измеряемым ускорением ах и разностью частот Δf. При диапазоне измерения ускорений до 20g погрешность не превышает +0,004%. Гироскопические устройства. Гироскопические устройства, как и ньютонометры, являются основными чувствительными элементами систем инерциальной навигации. Они позволяют фиксировать направление осей чувствительности акселерометров, а также фиксировать направление осей измерительной системы координат на борту летательного аппарата. Именно с помощью гироскопических устройств осуществляется определение углового положение объекта в пространстве. (Сюда самую обычную схему гироскопа 3степенного или гифку, что я прислала) Основой механического гироскопа является быстро вращающийся ротор, обладающий свойством сохранять неизменным свое положение в пространстве, если на ротор не действуют внешние силы. Если же присутствуют моменты, действующие на ротор, то возникает гироскопический момент, который уравновешивает действие внешних сил. Свойством гироскопа сохранять неизменным положение оси х при применении карданного подвеса ротора гироскопа по отношению к корпусу, который соединен с объектом, пользуются для измерения угловых координат. При этом угол поворота наружной рамки по отношению к корпусу соответствует отклонению угловой координаты объекта. При применении измерения параметрических это отклонение методов может быть преобразовано в электрический сигнал, который используется в системе преобразования применяется потенциометр, который жестко закрепляется на корпусе, а подвижный контакт соединяется с осью наружной рамки гироскопа. Для измерения скорости вращения объектов, движущихся в пространстве, в применяются основном гироскопические измерительные устройства с двумя степенями свободы. Датчики угловой скорости предназначены для измерения угловой скорости объекта относительно одной из координатных осей и выдачи электрического сигнала в виде постоянного напряжения, величина которого пропорциональна угловой скорости, действующей вокруг измерительной оси, а знак – направлению угловой скорости. Это измерительное устройство состоит из ротора 1, рамки 2, противодействующих пружин 3, демпфера 4 и корпуса. Однако такие механические гироскопы обладают рядом недостатков: 1) требуются уникальные подшипники, снижающие воздействие моментов на ось ротора, 2) необходима предельная балансировка, 3) из-за влияния трения в осях происходит уход гироскопа и появляются существенные погрешности. Для того, чтобы избавиться от данных недостатков был изобретен лазерный гироскоп. Лазерный гироскоп (фотонный гироскоп) – квантовый гироскоп, чувствительным элементом которого является кольцевой лазер, генерирующий две встречные волны. Действие лазерного гироскопа основано на зависимости разности собственных частот кольцевого оптического резонатора для встречных волн от скорости его вращения относительно инерциальной системы отсчета. Гироскоп на кольцевом лазаре был изготовлен на монолитном основании. Он имел вид равностороннего треугольника. Зеркал в резонаторе было три. Располагались они по вершинам. Через одно из зеркал сигнал поддавался на фотоприемник. Полупрозрачным зеркалом свет распределялся на два луча которые движутся навстречу друг другу, проходя пути равной оптической длины. Если система находится в состоянии покоя, то оба луча возвращаются на полу прозрачная зеркало за одинаковые промежутки времени. Если система вращается например вправо, то лучше вправо вращение идёт дольше, проходя путь чуть длиннее чем в состоянии покоя, а луч левого вращения пробегает путь настолько же короче, но в противоположном направлении. Если оба луча, пришедшие от одного и того же прозрачного зеркала наложить друг на друга, то по разности оптических путей, можно определить угловую скорость. Этот гироскопу обладает таким достоинством как низкая инертность. В отличие от волоконнооптического гироскопа, регистрирующего угловую скорость вращения, лазерный гироскоп позволяет определять изменение угла поворота. Преимущества лазерного гироскопа перед традиционными механическими гироскопами: возможность использования в системах, где гироскоп жёстко связан с движущимся объектом; цифровой выход информации; большой диапазон угловых скоростей; малая чувствительность к перегрузкам и малое время (порядка 1 с) запуска. Следующим по мере совершенствования стал ВТГ. В основе функционирования волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) лежит физический принцип, заключающийся в инертных свойствах упругих волн в твердом теле. Наверняка вы когда-то слышали звон, если провести влажным пальцем по кромке бокала. Этот звук вызывает волна, возникающая при наложении бегущих навстречу волн с одинаковой амплитудой. Такая волна называется стоячей. Использование инерциальных свойств такой волны легло в основу таких гироскопов. Так, если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот стоячей волны на меньший, но известный угол. Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора. Сам резонатор ВТГ представляет собой тонкую упругую оболочку вращения, сделанную из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь при колебаниях. Один край резонатора (у полюса) жестко прикреплен к основанию (ножке). Другой край, называемый рабочим, свободен. На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, которые образуют вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожух, конденсаторы. Часть конденсаторов служит для силового воздействия на резонатор. Вместе с соответствующими электронными схемами они образуют систему возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды. С её помощью в резонаторе устанавливают так называемую вторую форму колебаний, у которой стоячая волна имеет четыре пучности через каждые 90˚. Вторая группа конденсаторов служит датчиками положения пучностей на резонаторе. Соответствующая обработка сигналов этих датчиков позволяет получать информацию о вращательном движении основания резонатора. К достоинствам ВТГ относятся высокое отношение точность / цена, способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшой вес, низкая энергоемкость, малое время готовности, слабая зависимость от температуры окружающей среды. + ВИДЕО 3 2:06 – 2:42 Следующим и наиболее совершенным с точки зрения технологий на данный момент является волоконно – оптический гироскоп. Волоконный оптический гироскоп ВОГ – это оптикоэлектронный прибор, создание которого стало возможным лишь с развитием и совершенствованием элементной базы квантовой электроники. Возможность создания реального высокочувствительного ВОГ появилась лишь с промышленной разработкой одномодового диэлектрического световода с малым затуханием и интегральных оптических компонентов. ВОГ представляет собой волоконнооптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. Прибор предназначен для измерения угловой скорости и углов поворота подвижного объекта. Принцип действия ВОГ основан на эффекте Саньяка. Сущность эффекта Саньяка заключается в следующем. Если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то при неподвижном контуре фазовые набеги обоих лучей, прошедших весь контур будут одинаковыми. При вращении контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые набеги лучей неодинаковы, разность фаз лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура. Наиболее распространенный вариант ВОГ – многовитковая катушка оптического волокна. Достигнутые в лабораторных образцах точности ВОГ приближаются к точности лазерных гироскопов. ВОГ из-за простоты конструкции является одним из наиболее дешевых высокоточных гироскопов, помимо этого такие гироскопы работают в большом диапазоне рабочих температур. Классификация ИНС. Итак, из изложенного выше следует, что функционирование навигационных приборов в ИНС базируется на принципе инерциальных измерений, сущность которого заключается в возможности наблюдения факта ускоренного движения объекта навигации и определения параметров того движения в абсолютном (инерциальном) пространстве с помощью акселерометров. При этом инерциальный базис технически воплощается с помощью некоторой гироскопической системы, выставляемой по осям принятой к рассмотрению базовой СК. Реализация принципа инерциальных измерений позволяет, как было показано, мерять лишь кажущиеся параметры поступательного движения БР. Определение действительных параметров движения требует решения основного уравнения инерциальной навигации, в котором действительное ускорение объекта выражается в виде суммы кажущегося ускорения и ускорения от силы притяжения: где r - радиус-вектор центра масс БР в выбранной СК; g( r) - вектор ускорения силы тяжести, определяемый принятой к рассмотрению моделью ГПЗ. Инерциальные навигационные системы делятся на платформенные и бесплатформенные. В платформенных системах инерциальной навигации акселерометры установлены на гиростабилизированной платформе, оси акселерометров направлены строго по осям земной системы координат, неизменная ориентация платформы поддерживается благодаря гироскопам, удерживающим платформу. В бесплатформенных инерциальных системах акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом объекта. Ориентация объекта определяется путем интегрирования его кинематических уравнений в бортовом вычислителе (БЦВМ). В инерциальных системах аналитического типа и акселерометры, и гироскопы неподвижны в инерциальном пространстве. Координаты объекта получаются в счетно-решающем устройстве, в котором обрабатываются сигналы, снимаемые с акселерометров и устройств, определяющих поворот самого объекта относительно гироскопов и акселерометров. В БИНС акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора. Согласно эти уравнениям, вектор кажущегося ускорения, измеряемый тремя взаимно ортогонально расположенными одностепенными акселерометрами, оказывается отнесенным к системе координат, начало которой совмещено с центром масс ЛА, а оси совпадают с осями чувствительности акселерометров. Реализация указанной системы отсчета осуществляется на борту с помощью гиростабилизированной платформы (ГСП). содержащие несколько рамок карданова подвеса, механически развязывающих стабилизации платформу платформы от угловых используются перемещений гироскопы. объекта. Так, Для например, стабилизация платформы П, приведенной на рис, осуществляется посредством двух трехстепенных гироскопов Г1 и Г2. Сигналы отклонения платформы от заданного положения снимаются с датчиков угла гироскопов и подаются на соответствующие двигатели стабилизации ДС1, ДС2 и ДС3, установленные по осям подвеса гиростабилизатора. Таким образом, если измерительные оси акселерометров ориентированы точно в плоскости горизонта и в азимуте, то их показания будут соответствовать проекциям вектора ускорения объекта на оси OXg , OYg , OZg . Акселерометр(OX g ) w Xg VXg 1 s xg 1 s x 0g V0Xg Акселерометр(OYg ) w Yg a Yg 1 s yg 1 s y 0g V0Yg g Yg Алгоритм расчета ГПЗ Структурная схема ГСП для движения в вертикальной плоскости Акселерометр(OX g ) Акселерометр(OZg ) w Xg w Zg 1 s VXg V0Xg VXg V0Zg 1 (R yg ) cos 1 s d R VZg 1 s 1 R yg VXg 0 1 s d VXg 0 VXg Структурная схема ГСП для движения в горизонтальной плоскости (Земля сферическая) Блоки, с передаточными коэффициентами 1/ R в северном канале и 1/ Rcos в восточном, преобразуют линейные скорости VXg и VZg объекта в угловые скорости изменения широты d/dt и долготы d/dt , которые поступают на входы вторых интеграторов. Второе интегрирование позволяет определить географические координаты местоположения объекта и с учетом их начальных значений (t0) и (t0). Для придания гиростабилизированной платформе свойства невозмущемости ускорениями объекта, их настраивают на период Шулера. ИНС полуаналитического типа. В основе инерциальных навигационных систем с гиростабилизированной платформой лежит принцип невозмущаемости, который обеспечивается, так называемой, интегральной коррекцией, предложенной советскими инженерами Е.Б. Левенталем и Л.М. Кофманом в 1932 г. Сущность интегральной коррекции заключается в том, что сигнал акселерометра интегрируется и подается на датчик момента гироскопа, который прецессирует вслед за истинной вертикалью, меняющей свое положение вследствие перемещения объекта. Гиростабилизированная платформа несет на себе трехстепенной астатический гироскоп с вертикальным расположением главной оси и один линейный акселерометр А. На оси вращения наружного кольца гироскопа находится датчик момента (ДМ), который прикладывает момент относительно упомянутой выше оси пропорционально интегралу от показаний акселерометра. В соответствии с известными свойствами гироскопа под действием момента, приложенного вокруг оси наружной рамки, гироскоп начинает прецессировать вокруг оси вращения внутренней рамки (кожуха), в результате чего на выходе датчика угла ДУ образуется сигнал, пропорциональный углу поворота внутренней рамки относительно наружной. Выходной сигнал ДУ подается на двигатель стабилизации ДС, при помощи которого гиростабилизированная платформа начинает разворачиваться до тех пор, пока плоскость наружной рамки не будет перпендикулярна главной оси гироскопа. Таким образом, основной принцип ИНС полуаналитического типа заключается в том, что надо поворачивать платформу с угловой скоростью, соответствующей величине горизонтальной составляющей скорости объекта, полученной посредством интегрирования ускорения. Система платформа — акселерометр — обратная связь составляет замкнутый контур и может рассматриваться как синтезированный математический маятник, обладающий двумя свойствами: 1) в положении равновесия измерительные оси акселерометров располагаются перпендикулярно местному направлению силы тяжести; 2) при движении объекта переход маятника к новому направлению вертикали, т. е. к новому положению равновесия, происходит без колебаний, если период собственных колебаний системы настроен на период Шулера, равный 84,4 мин. ИНС геометрического типа. Другим способом построения ИНС является система, в которой гиростабилизированная платформа неподвижна относительно инерциального пространства, а акселерометр установлен на специальной площадке построителя вертикали (ПВ), моделирующей истинную вертикаль или, что тоже самое, плоскость местного горизонта. Такая система называется ИНС геометрического типа. Поворот площадки ПВ осуществляется с помощью двигателя Д, на который подается сигнал, пропорциональный второму интегралу от показаний акселерометра Так как ГСП моделирует инерциальную систему отсчета, а площадка построителя вертикали – географическую систему координат, то широта и долгота определяются геометрически, как углы между ГСП и ПВ. Бесплатформенная инерциальная навигационная система. (БИНС) Гиростабилизированная платформа, предохраняя акселерометры от влияния угловых перемещений объекта, имеет ряд существенных недостатков: ГСП, являясь прецизионным электромеханическим устройством ненадежна, потребляет много энергии, имеет большую массу и габариты, сложна при сборке и дорога, имеет существенные погрешности, зависящие от выставки платформы. Другим способом построения инерциальной навигационной системы является размещение акселерометров и гироскопов непосредственно на борту подвижного объекта, а функции ГСП выполняет бортовые вычислительные машины. В связи с этим такие устройства называют бесплатформенными (бескарданными) инерциальными навигационными системами. К инерциальным чувствительным элементам БИНС предъявляются чрезвычайно высокие требования. Гироскопы и акселерометры, будучи жестко установленные на борту объекта должны обладать заданной точностью в широком диапазоне угловых скоростей и ускорений, а также функционировать в условиях вибраций, ударов и т.п. В БИНС, используемые чувствительные элементы – акселерометры и измерители параметров ориентации (гироскопы), могут быть построены на различных физических принципах. При этом количество измерителей должно быть таким, чтобы обеспечить получение информации о векторе кажущегося ускорения объекта, в котором установлены измерители и о векторе абсолютной угловой скорости, характеризующей вращение. В зависимости от состава инерциальных чувствительных элементов БИНС могут быть построены с применением следующих приборов: датчиков угловой скорости (ДУС) и акселерометров, только акселерометров, акселерометров и неуправляемых гироскопов. Рассмотрим простейшую схему БИНС при движении в вертикальной плоскости: Акселерометр (OX) a Xg wX wX coswY sin wX sin wY cos Акселерометр (OY) wY Гироскоп VXg 1 s d V0X a Yg xg 1 s x0 d g VYg 1 s d d V0Y g yg 1 s g y0 Алгоритм расчета ГПЗ Простейшая схема БИНС для движения в вертикальной плоскости Акселерометр (OX) VXg wX wX coswY sin wX sin wY cos Акселерометр (OY) ДУС z wY 1 s d 1 s 1 s d V0X a Yg g x0 d g VYg 1 s d d V0Y g Алгоритм расчета ГПЗ 0 1 R yg d Блок-схема БИНС для сферической Земли yg 1 s y0 На основе одноканального рассмотрения можно выделить следующие основные блоки, необходимые для построения БИНС: блок акселерометров – для определения проекций вектора кажущегося ускорения на оси связанного трехгранника; блок пересчета – для преобразования проекций вектора кажущегося ускорения n на оси навигационной системы координат (в данном случае нормальная система координат); навигационный алгоритм – предназначен для выработки координат местоположения объекта и скоростей и, кроме того, формирует компоненты вектора абсолютной угловой скорости нормальной системы координат ug ; блок гироскопов – для определения проекций вектора абсолютной угловой скорости на ребра связанного трехгранника; алгоритм ориентации – для решения задачи ориентации и формирования матрицы перехода C , используемой в блоке пересчета. Алгоритм ориентации может быть реализован с использованием различных кинематических параметров, такие как углы Эйлера, направляющие косинусы, кватернионы и др. Подводя итог, отметим, что БИНС обладают рядом несомненных преимуществ перед гиростабилизированной гиростабилизировнной инерциальными платформой. платформы, навигационными Прежде всего, являющейся системами с отсутствие сложным электромеханическим устройством. Вместе с тем к чувствительным элементам БИНС предъявляются высокие требования, так как при непосредственном закреплении на борту объекта чувствительные элементы подвергаются значительно более сильным возмущениям, чем в инерциальной навигационной системе платформенного типа. Заключение Главным из недостатков ИНС является то, что инерциальные датчики не позволяют непосредственно измерять истинные параметры движения координаты, скорость, ускорение ЛА баллистического типа. Инерциальные измерительные приборы способны зафиксировать только ту часть полного ускорения объекта, которая обусловлена действием всех приложенных к нему сил, за исключением силы гравитационного притяжения. Нахождение истинных значений по измеренным кажущимся возможно только при расчетном учете влияния ускорения силы притяжения с помощью достаточно точной модели ГПЗ. Это и определяет второй существенный недостаток инерциальной навигации. Наконец, последний из весьма значимых недостатков - неустойчивость основного уравнения инерциальной навигации, приводящая к быстрому возрастанию погрешностей расчета действительных параметров движения. До тех пор, пока ИНС использовалась для решения навигационных задач БР только на АУТ (при применении неуправляемых ГЧ), последний недостаток не оказывал существенного влияния и не принимался во внимание. Когда же возникла необходимость в управлении ГЧ на нисходящем участке траектории, стало ясно, что применение ИНС на интервалах полетного времени ГЧ, составляющих при дальностях порядка 10000 км 35 мин и более, практически невоможно без использования корректируемых навигационных систем. К числу корректирующих систем относят главным образом корреляционно-экстремальные системы, реализующие обзорно- сравнительный метод навигации. В ряде случаев (требующих специального обсуждения) в качестве корректирующих навигационных систем могут быть использованы астронавигационные и спутниковые навигационные системы, реализующие метод поверхностей и линий положения. Литература: 1) Матвеев В.В. Инерциальные навигационные системы: Учебное пособие. Изд-во ТулГУ, 2012.-199 с. 2) Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. М., 1966 г., 580 с 3) Захарин М.И., Захарин Ф.М. Кинематика инерциальных систем навигации. М.: Машиностроение, 1968. 236 с. 4) Лысенко Л.Н. Наведение и наведение и навигация баллистических ракет. Москва. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007, 672 с. 5) К.Л. Мак-Клур, Теория инерциальной навигации. М.: Наука, 1964 г.
