Navegación inercial

La navegación inercial  es un método de navegación (que determina las coordenadas y los parámetros del movimiento de varios objetos: barcos , aviones , misiles , etc.) y controla su movimiento, basado en las propiedades de inercia de los cuerpos , que es autónomo, es decir, no requiere la presencia de hitos externos o señales provenientes del exterior. Los métodos no autónomos para resolver problemas de navegación se basan en el uso de puntos de referencia o señales externas (por ejemplo, estrellas , balizas , señales de radio , etc.). Estos métodos son bastante simples en principio, pero en algunos casos no pueden implementarse debido a la falta de visibilidad o la presencia de interferencias para las señales de radio, etc. [1] La necesidad de crear sistemas de navegación autónomos fue el motivo del surgimiento de navegación inercial.

Cómo funciona

La esencia de la navegación inercial es determinar la aceleración de un objeto y sus velocidades angulares utilizando instrumentos y dispositivos instalados en un objeto en movimiento, y de acuerdo con estos datos, la ubicación (coordenadas) de este objeto, su curso, velocidad, distancia recorrida, etc., así como en la determinación de los parámetros necesarios para estabilizar el objeto y controlar automáticamente su movimiento. Esto se hace usando [2] :

  1. sensores de aceleración lineal ( acelerómetros );
  2. Dispositivos giroscópicos que reproducen el sistema de referencia sobre el objeto (por ejemplo, utilizando una plataforma giroestabilizada) y permiten determinar los ángulos de giro e inclinación del objeto utilizados para estabilizarlo y controlar su movimiento.
  3. dispositivos de cómputo ( computadoras ), que, por medio de aceleraciones ( integrándolas ), encuentran la velocidad de un objeto, sus coordenadas y otros parámetros de movimiento;

Las ventajas de los métodos de navegación inercial son la autonomía, la inmunidad al ruido y la posibilidad de automatización completa de todos los procesos de navegación. Debido a esto, los métodos de navegación inercial se utilizan cada vez más para resolver los problemas de navegación de superficie, submarinos y aviones, naves espaciales y vehículos y otros objetos en movimiento.

La navegación inercial también se utiliza con fines militares: en misiles de crucero y vehículos aéreos no tripulados , en caso de contramedidas electrónicas enemigas. Tan pronto como el sistema de navegación de un misil de crucero o UAV detecta el impacto de la guerra electrónica enemiga , el bloqueo o la distorsión de la señal GPS , recuerda las últimas coordenadas y cambia al sistema de navegación inercial [3] .

Historia

Los principios de la navegación inercial se basan en las leyes de la mecánica formuladas por Newton , que rigen el movimiento de los cuerpos con respecto al marco de referencia inercial (para movimientos dentro del sistema solar  , con respecto a las estrellas).

El desarrollo de los conceptos básicos de la navegación inercial se remonta a la década de 1930 . Se . DraperA.Yu._,BulgakovB.V. -URSSlaen:contribucióngranunahizo _ La teoría de la estabilidad de los sistemas mecánicos juega un papel importante en los fundamentos teóricos de la navegación inercial , a la que los matemáticos rusos A. M. Lyapunov y A. V. Mikhailov hicieron una gran contribución . 

La implementación práctica de los métodos de navegación inercial se asoció con importantes dificultades causadas por la necesidad de garantizar una alta precisión y confiabilidad de todos los dispositivos con dimensiones y peso dados. Superar estas dificultades se hace posible gracias a la creación de medios técnicos especiales: sistemas de navegación inercial (INS). Las primeras ANN completas se desarrollaron en los EE. UU. y en la URSS a principios de la década de 1950. Así, el equipamiento del primer INS estadounidense (incluidos los ordenadores de navegación ) se fabricó estructuralmente en forma de varias cajas de tamaño impresionante y, ocupando casi toda la cabina de la aeronave, se probó por primera vez durante el vuelo a Los Ángeles , conduciendo automáticamente al aviones a lo largo de la ruta.

Sistemas de navegación inercial

Los sistemas de navegación inercial (INS) incorporan sensores de aceleración lineal ( acelerómetros ) y sensores de velocidad angular ( giroscopios o pares de acelerómetros que miden la aceleración centrífuga). Con su ayuda, es posible determinar la desviación del sistema de coordenadas asociado con el cuerpo del dispositivo del sistema de coordenadas asociado con la Tierra, obteniendo los ángulos de orientación: guiñada ( rumbo ), cabeceo y balanceo . La desviación angular de las coordenadas en forma de latitud , longitud y altitud se determina integrando las lecturas de los acelerómetros. Algorítmicamente, ANN consta de rumbo y sistema de coordenadas. El curso vertical brinda la capacidad de determinar la orientación en un sistema de coordenadas geográficas , lo que le permite determinar correctamente la posición del objeto. En este caso, debe recibir constantemente datos sobre la posición del objeto. Sin embargo, técnicamente, el sistema, por regla general, no está dividido y los acelerómetros , por ejemplo, se pueden utilizar en la exposición de la parte de curso-vertical.

Los sistemas de navegación inercial se dividen en basados ​​en plataforma (PINS) y strapdown (SINS) que tienen una plataforma giroestabilizada .

En las RNA de plataforma, la interconexión del bloque de acelerómetros y dispositivos giroscópicos que proporcionan la orientación de los acelerómetros en el espacio determina el tipo de sistema inercial. Hay tres tipos principales de sistemas inerciales de plataforma.

  1. El sistema inercial de tipo geométrico tiene dos plataformas. Una plataforma con giroscopios está orientada y estabilizada en el espacio inercial, y la segunda con acelerómetros es relativa al plano del horizonte. Las coordenadas del objeto se determinan en la calculadora utilizando datos sobre la posición relativa de las plataformas. Tiene una alta precisión de posicionamiento en relación con la superficie del planeta (por ejemplo, la Tierra), pero no funciona satisfactoriamente en vehículos muy maniobrables y en el espacio exterior. Se utiliza principalmente en aeronaves de largo alcance (transporte civil, militar, bombarderos estratégicos ), submarinos y buques de gran superficie.
  2. En los sistemas inerciales del tipo analítico, tanto los acelerómetros como los giroscopios están inmóviles en el espacio inercial (en relación con estrellas o galaxias arbitrariamente distantes). Las coordenadas del objeto se obtienen en una calculadora que procesa señales provenientes de acelerómetros y dispositivos que determinan la rotación del propio objeto en relación con giroscopios y acelerómetros. Tiene una precisión relativamente baja cuando se mueve cerca de la superficie de la Tierra, pero funciona bien en objetos maniobrables (cazas, helicópteros, misiles, naves de superficie maniobrables de alta velocidad) y en el espacio exterior.
  3. El sistema semianalítico tiene una plataforma que se estabiliza continuamente sobre el horizonte local. La plataforma tiene giroscopios y acelerómetros. Las coordenadas de una aeronave u otra aeronave se determinan en una computadora ubicada fuera de la plataforma.

En SINS, los acelerómetros y giroscopios están rígidamente conectados al cuerpo del dispositivo. La tecnología avanzada en la producción de SINS es la tecnología de giroscopios de fibra óptica (FOG), cuyo principio se basa en el efecto Sagnac . SINS basado en tales giroscopios no tiene partes móviles, es absolutamente silencioso, mecánicamente relativamente fuerte, no requiere mantenimiento especial, tiene buen MTBF (hasta 80 mil horas para algunos modelos) y bajo consumo de energía (decenas de vatios ). Las tecnologías FOG han reemplazado a los giroscopios de anillo láser (LCG).

Sistemas de navegación integrados

Para compensar los errores de acumulación inherentes al INS en los ángulos de orientación y las coordenadas, se utilizan datos de otros sistemas de navegación, en particular, sistema de navegación por satélite (SNS) , radionavegación, magnetométrico (para obtener datos sobre el rumbo), odómetro (para obtener datos sobre la distancia recorrida en aplicaciones terrestres). La integración de datos de varios sistemas de navegación se realiza según un algoritmo basado, por regla general, en el filtro de Kalman . Varias implementaciones de tales sistemas son posibles con la tendencia observada de miniaturización gradual .

Véase también

Notas

  1. Vasiliev P. V., Meleshko A. V., Pyatkov V. V. Mejorando la precisión de un sistema de navegación inercial corregido. Archivado el 16 de febrero de 2015 en Wayback Machine . — Instrumentación. - Artículo. - Número 12 (diciembre de 2014)
  2. Sistema de navegación inercial: cómo funciona . rostec.ru . Consultado el 11 de diciembre de 2020. Archivado desde el original el 28 de noviembre de 2020.
  3. Iván Konovalov. Las tropas de EW perdieron la batalla del GPS . Izvestia (28 de septiembre de 2012). Consultado el 11 de diciembre de 2020. Archivado desde el original el 19 de septiembre de 2020.

Literatura