Что такое инерциальная навигационная система и как она работает?

Что такое инерциальная навигационная система?

Инерциальная навигационная система, или ИНС (INS), определяет движение и положение объекта по данным собственных датчиков. Она измеряет ускорение и угловую скорость относительно выбранной системы отсчёта, поэтому работает автономно, без внешних ориентиров и поступающих извне сигналов. Спутниковый сигнал ей для самого принципа работы не нужен.

Главный принцип ИНС связан с явлением инерции. Система непрерывно получает данные о движении объекта, а затем использует их, чтобы определить его положение. Источник Laser Components описывает ИНС как систему, которая измеряет ускорения и угловые скорости относительно установленной системы отсчёта. Для пассажира или водителя это означает простую вещь: навигация может продолжать определять движение там, где внешнего сигнала нет. При этом ИНС не сверяет положение с вышками, спутниками или другими внешними ориентирами, потому что опирается на свои датчики.

Инерциальная навигация нужна там, где объект должен сохранять сведения о движении без приёма сигналов извне. Источник Tech Victory относит ИНС к технике беспилотных летательных аппаратов, авиации, ракетной технике, морским и космическим аппаратам и подчёркивает её отличие от спутниковой навигации: система определяет положение исключительно по данным собственных датчиков. Источник GyroLab отдельно рассматривает ИНС как систему, которую применяют современные беспилотники и морские платформы. Для поездки это полезное различие: ИНС отвечает за автономное измерение движения, а спутниковая навигация зависит от внешнего сигнала.

Из чего состоит инерциальная навигационная система?

Инерциальная навигационная система состоит из трёх основных частей: гироскопов, акселерометров и вычислителя. Гироскопы измеряют угловые скорости, акселерометры определяют кажущееся линейное ускорение, а вычислитель обрабатывает данные и решает навигационные задачи с помощью математических алгоритмов.

• Гироскопы определяют угловые скорости. По их данным система учитывает вращение объекта.
• Акселерометры определяют кажущееся линейное ускорение. Они также выступают корректорами гироскопов.
• Высокопроизводительный вычислитель применяет математические алгоритмы, решает навигационные задачи, обрабатывает и фильтрует данные.

Смысл такой схемы в разделении измерений и расчётов. Датчики собирают исходные данные о движении: гироскопы фиксируют угловые скорости, а акселерометры определяют кажущееся линейное ускорение. Вычислитель принимает эти данные и выполняет расчёты, которые нужны для навигации. Источник MP-Lab описывает ИНС именно как сочетание трёх элементов: гироскопов, акселерометров и высокопроизводительного вычислителя с математическими алгоритмами. Поэтому при проверке состава системы ищите все три части, а не только датчики.

Роли компонентов связаны между собой. Акселерометры в этой схеме не ограничиваются измерением ускорения: источник также называет их корректорами гироскопов. Вычислитель, в свою очередь, не заменяет датчики, а обрабатывает и фильтрует полученные данные, затем решает навигационные задачи. Такой порядок помогает понять устройство ИНС без лишних терминов: гироскопы измеряют вращение, акселерометры измеряют кажущееся линейное ускорение и корректируют гироскопы, вычислитель сводит данные в расчёт навигации.

Как работает инерциальная навигационная система?

Инерциальная навигационная система работает так: сначала получает координаты, ориентацию и скорость объекта на старте. Затем акселерометры измеряют проекции ускорения, гироскопы фиксируют вращение по трём осям, а система последовательно интегрирует эти данные математически. Так она ведёт расчёт движения от заданной начальной точки.

• ввод начальных координат;
• ввод начальной ориентации;
• ввод начальной скорости;
• измерение проекций ускорения акселерометрами;
• измерение вращения гироскопами по осям крена, тангажа и рыскания;
• последовательное математическое интегрирование измерений.

Главный принцип ИНС состоит в строгом порядке действий: без исходных данных система не начинает расчёт, а после их ввода принимает показания двух типов датчиков. Акселерометры фиксируют проекции ускорения, то есть показывают, как ускорение направлено относительно осей системы. Гироскопы определяют вращение вокруг осей крена, тангажа и рыскания. Вычислительная часть затем последовательно интегрирует полученные измерения. Такой порядок описывает работающий цикл: начальные координаты, ориентация и скорость задают состояние объекта на старте; датчики передают новые измерения; математический расчёт связывает их в последовательность движения. Эти этапы перечислены в материале Yadro «Инерциальные датчики и INS: где используются и как работают» на engineer.yadro.com. Для читателя практический вывод прост: ИНС получает стартовые параметры и дальше рассчитывает движение по данным собственных датчиков, а не по одному измерению. Поэтому при разборе работы системы важно различать роль каждого элемента: акселерометры отвечают за проекции ускорения, гироскопы за вращение, а интегрирование объединяет измерения в единый расчёт.

Чем БИНС отличается от ПИНС?

БИНС и ПИНС различаются способом размещения датчиков и получения ориентации. В БИНС гироскопы и акселерометры жёстко закреплены на корпусе, а вычислитель пересчитывает измерения. В ПИНС акселерометры стоят на гиростабилизированной платформе, которую удерживает набор гироскопов. Поэтому БИНС называют бесплатформенной, а ПИНС платформенной схемой ИНС.

Главное различие БИНС и ПИНС лежит в конструкции. В ПИНС гироскопы поддерживают устойчивое положение платформы, а акселерометры устанавливают на ней. Ruwiki описывает платформенные ИНС как системы, где связь блока измерителей ускорений с гироскопическими устройствами определяет тип системы; источник также указывает три основных типа платформенных ИНС. В БИНС датчики жёстко крепят к корпусу. Вычислитель в реальном времени переводит измерения из связанной с корпусом системы координат в навигационную. Для читателя вывод простой: при поиске различия нужно смотреть прежде всего на наличие платформы и на то, кто поддерживает ориентацию акселерометров, механика или вычислитель.

Платформенная схема сложнее по массе и цене. В материале Habr сказано, что ранние инерциальные системы строили на гиростабилизированных платформах, а такой набор был дорогим и тяжёлым. Там же бесплатформенную схему описывают как современный подход: датчики закреплены на корпусе, а вычислитель пересчитывает их показания в реальном времени. Это не меняет базовую роль датчиков, но меняет способ получения навигационных данных. Поэтому ПИНС узнают по отдельной стабилизированной платформе, а БИНС по жёсткому креплению датчиков и расчёту преобразований программой.

Короткое сравнение выглядит так:

Когда появилась инерциальная навигация и где её применяют?

Инерциальную навигацию теоретически разработали в 1930-е годы, но создать работающую систему смогли лишь спустя 20 лет. В доступном источнике упомянута бесплатформенная система БИНС-СП-1. Конкретные отрасли её применения источник не перечисляет, поэтому приписывать ей использование в транспорте, авиации или космосе нельзя.

История метода началась с теории, а не с готового прибора. В источнике Ростеха указано, что бесплатформенный способ теоретически разработали в 1930-е годы, однако реализовать его удалось только спустя 20 лет. Такой разрыв показывает разницу между расчётной схемой и системой, которую можно собрать и запустить. Сам термин связан с навигацией без постоянной опоры на внешнее определение положения, но приведённый материал не раскрывает технические характеристики ранних образцов и не называет их создателей. В нём также нет точной даты первой рабочей установки: указан лишь период разработки и срок до реализации. Поэтому корректный ответ ограничивается двумя фактами: идея относится к 1930-м, а практическая реализация появилась примерно через два десятилетия. Для читателя это важная оговорка: дата рождения метода и дата появления конкретной системы не совпадают. Источник: Ростех, материал о работе инерциальной навигационной системы, https://rostec.ru/media/news/kak-eto-rabotaet-inertsialnaya-navigatsionnaya-sistema-/.

В качестве конкретного примера источник называет бесплатформенную навигационную систему БИНС-СП-1. Он не сообщает, на каком виде транспорта или объекта её применяют, поэтому список сфер использования по этим данным составить нельзя. Из материала следует лишь принципиальная основа метода: инерциальная навигация опирается на законы механики, в частности на теорию устойчивости механических систем. В разработке этой теории участвовали русские математики А. М. Ляпунов и А. В. Михайлов. Их имена и связь с теоретической базой приведены Ростехом; источник не утверждает, что математики создавали БИНС-СП-1 или отвечали за её практическую реализацию. Значит, надёжный вывод таков: метод вырос из механики и теории устойчивости, а БИНС-СП-1 служит названным примером его бесплатформенной реализации. Где именно систему применяют, предоставленный источник не уточняет. Для точного ответа о сфере эксплуатации нужны отдельные сведения о конкретном изделии.

Какие инерциальные навигационные системы предлагает SENSSET?

SENSSET предлагает линейку инерциальных навигационных систем и модулей на основе МЭМС-сенсоров. В ассортимент также входят комбинированные решения ИНС+ГНСС. Компания описывает их как варианты для задач различной сложности и точности, поэтому по одному названию нельзя определить характеристики конкретной модели.