Наведение без GPS. Часть 1. Инерциальная навигация (INS): устройство и принцип работы

Инерциальная навигационная система (Inertial Navigation System, INS) — один из важнейших элементов современных беспилотных летательных аппаратов, авиации, ракетной техники, морских судов и космических аппаратов. В отличие от спутниковой навигации она не принимает сигналы извне, а определяет положение объекта исключительно по данным собственных датчиков.

Именно поэтому INS называют полностью автономной системой навигации. После запуска она способна непрерывно рассчитывать координаты, скорость и ориентацию аппарата без помощи GPS, ГЛОНАСС или других внешних источников информации.

Основной принцип работы

Работа INS основана на фундаментальных законах механики.

Если известны:

• начальная точка;
• ускорение объекта;
• направление его движения;
• прошедшее время;

то можно вычислить скорость, а затем определить новое положение аппарата в пространстве.

Именно этим непрерывно занимается навигационный вычислитель.

Система не измеряет координаты напрямую. Она постоянно вычисляет их математически, интегрируя показания своих датчиков сотни или даже тысячи раз в секунду.

Из чего состоит инерциальная навигационная система

Современная INS включает несколько основных компонентов.

Гироскопы

Гироскопы определяют угловую скорость аппарата вокруг трех осей.

Именно они позволяют системе понимать:

• куда повернулся беспилотник;
• на какой угол он изменил курс;
• как изменились крен, тангаж и рыскание.

Сегодня чаще всего применяются MEMS-гироскопы, отличающиеся небольшими размерами, массой и энергопотреблением.

Акселерометры

Акселерометры измеряют линейное ускорение по трем взаимно перпендикулярным осям.

После обработки этих данных вычисляется скорость движения, а затем и изменение координат аппарата.

Навигационный вычислитель

Все данные с датчиков поступают в вычислительный блок.

Его задачи:

• обработка показаний датчиков;
• компенсация шумов;
• расчет положения;
• определение скорости;
• расчет пространственной ориентации.

В современных системах вычисления производятся сотни и тысячи раз в секунду.

Как INS определяет положение

Работа системы представляет собой непрерывную последовательность операций.

В результате формируется непрерывная оценка текущего положения беспилотника в пространстве.

Почему INS работает без спутников

Поскольку все необходимые измерения выполняются внутренними датчиками, системе не требуется получать сигналы извне.

Она одинаково работает:

• под воздействием радиоэлектронного подавления;
• в тоннелях;
• в помещениях;
• под землей;
• под водой;
• в космосе.

Именно автономность сделала инерциальную навигацию обязательным элементом практически всех современных летательных аппаратов.

Основные преимущества INS

• полностью автономная работа;
• невосприимчивость к подавлению спутниковых сигналов;
• очень высокая скорость обновления данных;
• непрерывное определение положения и ориентации;
• работа практически в любых условиях окружающей среды.

Что дальше?

Несмотря на очевидные достоинства, инерциальная навигация имеет фундаментальное ограничение — накопление ошибки. Даже самые современные датчики со временем начинают давать все большую погрешность, что требует использования дополнительных методов коррекции.

Во второй части статьи мы подробно рассмотрим, почему возникает дрейф инерциальной системы, какие существуют способы его компенсации и как INS используется совместно с визуальной навигацией, лидарами, радарами и другими сенсорами современных беспилотных комплексов.