Принцип функционирования, состав и особенности инерциальной навигационной системы.
1. Назначение и особенности ИНС. ИНС представляет собой трехканальную систему определения местоположения, скорости и угловой ориентации ЛА. При этом информация о скорости и местоположении ЛА получается посредством интегрирования в бортовом вычислительном комплексе вектора ускорения ЛА, который измеряется системой чувствительных элементов - акселерометров, устанавливаемых либо на гиростабилизированной платформе, либо жестко закрепленных на корпусе ЛА.
Основными преимуществами использования ИНС по сравнению с другими навигационными измерителями являются:
высокая помехозащищенность, поскольку ИНС не излучает сигналов в пространство и не принимает их;
способность работать в широком диапазоне условий - при любых скоростях и высотах полета и любых угловых положениях ЛА;
высокая точность оценки параметров положения и скорости ЛА.
Указанные преимущества ИНС способствовали их широкому применению в системах управления как на беспилотных ЛА различных классов, так и на пилотируемых
Недостатком ИНС является то, что ошибки навигации ЛА при её использовании возрастают с течением времени. Например, среднеквадратическая ошибка за счет кратковременных уходов современных гироскопов, входящих в состав ИНС, может достигать 120 метров за 10 мин; ошибка за счет уходов длительной периодичности может достигать 2.....4 км за час полета, поэтому счисление пути с помощью ИНС может привести к неприемлемым ошибкам навигации.
Поэтому при длительной навигации ЛА с использованием ИНС должна осуществляться её периодическая коррекция по данным, получаемым с какой-либо другой навигационной системы, например спутниковой навигационной системы, корреляционно-экстремальной навигационной системы по карте местности.
В настоящее время в составе КСН используются два основных типа ИНС- платформенные и бесплатформенные.
Исторически первыми появились платформенные ИНС, построенные на базе гиростабилизированной платформы (ГСП) с установленными на ней акселерометрами. Однако, по мере развития подобных ИНС появились сложности с обеспечением их комплексирования с другими системами, а возможность повышения точности оказалась связанной с увеличением массы и габаритов платформы из за размещения на ней более тяжелых акселерометров.
В последнее время все более широкое распространение получают бесплатформенные ИНС (БИНС). Достоинством БИНС является отсутствие подвеса, фиксирующего положение ГСП, что снижает стоимость, массу, потребляемую мощность и повышает надежность системы. Для БИНС характерно то, что вычисление текущих координат и угловой ориентации осуществляется в БЦВМ на основе измерений угловых скоростей вращения связанной системы координат (ССК). Такую информацию дают скоростные гироскопы или датчики угловых скоростей и акселерометры установленные на корпусе ЛА вдоль осей связанной системы координат. Однако, точностные характеристики лучших БИНС, использующие например лазерные гироскопы, только приближаются к характеристикам платформенных ИНС.
2. Принцип действия и структурная схема ИНС. Определение положения и скорости ЛА с помощью ИНС осуществляется на основе интегрирования уравнений движения центра масс ЛА в поле тяготения Земли. Это уравнение в векторной форме в инерциальной системе координат записывается следующим образом:
d2r/dt2 = n + g (r),
где r - радиус вектор ЛА относительно центра масс Земли, n, g(r) - векторы ускорения ЛА, обусловленные действием на него внешних сил и силы тяготения Земли, соответственно.
(Напомню, что представляет собой инерциальная СК. В баллистике принято называть абсолютной системой координат прямоугольную декартову СК , начало которой совпадает с центром масс солнечной системы, а оси неподвижны относительно звезд. Всякая система координат, перемещающаяся поступательно равномерно и прямолинейно относительно абсолютной системы координат называется инерциальной системой координат. В качестве инерциальной системы координат может рассматриваться земная инерциальная система координат, центр которой совпадает с центорм общего земного эллипсоида, ось ОУ направлена по радиус-вектору, поведенному из центра общего земного эллипсоида через точку сарта, ось ОХ направлена в плоскости местного меридиана к северному полюсу, а ось ОZ дополняет систему до правой тройки.
В неинерциальной системе координат помимо относительного ускорения, описывающего перемещение в этой системе координат, необходимо также учитывать переносное и кориолисово ускорение, что усложняет уравнение движения ЛА.).
В приведенном уравнении ускорение n, обусловленное действием внешних сил, измеряется с помощью акселерометров., углы, определяющие взаимное положение системы координат, связанной с акселерометрами и инерциальной системы координат, в которой осуществляется интегрирование приведенного уравнения, физически реализуется с помощью гироскопов. Акселерометры не измеряют гравитационное ускорение g(r), поэтому это ускорение вычисляют путем введения в математическую модель поля тяготения Земли, имеющегося на борту, координат ЛА в гринвичской системе координат, к которой, как правило привязана модель этого поля.
Таким образом ИНС включает в себя следующие элементы:
акселерометры, измеряющие ускорение внешних сисл, действующих на ЛА;
гироскопы, определяющие в инерциальном пространстве, систему координат, связанную с акселерометрами;
вычислитель, необходимый для расчета гравитационных ускорений и интегрирования уравнений движения;
таймер, измеряющий время необходимое для интегрирования уравнений.
Рассмотрим принципы действия упомянутых ранее основных типов ИНС-платформенных и бесплатформенных.
В бесплатформенных ИНС акселерометры расположены непосредственно на корпусе ЛА и поэтому измеряют ускорения в связанной системе координат. Входящие в состав таких систем три скоростных гироскопа, измеряющие соответственно три взаимно перпендикулярных составляющих проекции абсолютной угловой скорости ЛА, и реализующие тем самым измерение абсолютной угловой скорости ЛА, определяют угловую скорость вращения связанной системы координат относительно системы координат, в которой осуществляется навигация. Дальнейшее интегрирование этих угловых скоростей позволяет вычислить направляющие косинусы, определяющие взаимное положение связанной системы координат и системы координат, используемой для целей навигации ЛА. Используя рассчитанные значения направляющих косинусов осуществляется пересчет ускорений, измеренных с помощью акселерометров в связанной СК, в ускорения относительно системы координат, используемой для навигации. После интегрирования этих ускорений получают скорости и координаты ЛА.
В платформенных ИНС акселерометры и гироскопы размещены на платформе, помещенной в трехстепенной карданов подвес, или иначе гиростабилизированной платформе. Положение ГСП относительно инерциальной системы задается путем определения местной вертикали и угла азимута. В свою очередь платформенные ИНС в зависимости от способа определения текущей вертикали к поверхности Земли и угла азимута, характеризующего в горизонтальной плоскости взаимное положение системы координат, задаваемой ГСП, и инерциальной СК, подразделяются на три типа:
аналитические ИНС;
полуаналитические ИНС;
геометрические ИНС.
В ИНС аналитического типа гиростабилизированная платформа с установленными на ней акселерометрами задает некоторую наперед заданную систему координат. В качестве такой наперед заданной системы координат обычно используют начальную стартовую систему координат, которая совпадает со стартовой в момент запуска ЛА, а в дальнейшем не меняет своей ориентации относительно абсолютного пространства. Стартовая система координат используется для определения местоположения ЛА относительно точки старта. Она представляет собой прямоугольную систему координат, начало которой совпадает с точкой старта, ось ОХ расположена в касательной плоскости к поверхности Земли и ориентирована в направлении прицеливания. Ось ОУ направлена по линии отвеса вверх. Ось ОZ дополняет систему координат до правой тройки. Таким образом, В ИНС аналитического типа направление осей акселерометров совпадает с направлением осей начальной стартовой системы координат и не зависит ни от местоположения ЛА, ни от других параметров движения. Управление пространственной ориентацией ГСП в системах такого типа осуществляется программным устройством в зависимости от времени полета. Положение местной вертикали и азимут определяются на основе аналитических соотношений.
В ИНС полуаналитического типа гироплатформа физически реализует местную вертикаль, то есть гироплатформа с расположенными на ней акселерометрами в процессе движения ЛА поддерживается в строго горизонтальном положении, а гироскопы определяют географическую систему координат, неподвижную относительно Земли. В таких системах азимут определяется аналитически.
В ИНС геометрического типа положение местной вертикали и азимута задаётся ГСП путем её соответствующего разворота. Сигналы на разворот платформы вырабатываются в зависимости от положения и составляющих вектора скорости ЛА.
С учетом всего сказанного принцип действия платформенной ИНС можно проиллюстрировать с помощью следующей функциональной схемы.
На приведенной схеме обозначены: dr0/dt,r0,0,0,0 – соответственно начальные значения скорости и координат ЛА, а также значения углов, характеризующей положение системы координат, связанной с акселерометрами относительно инерциальной системы координат, используемой для навигации. Измерение текущих углов, характеризующих пространственную ориентацию осей гиростабилизированной платформы реализуется с помощью гироскопов. Стабилизатор обеспечивает компенсацию рассогласования этих углов с заданными начальными значениями. Все перечисленные величины задаются в ИНС перед началом её работы от внешних источников. Процесс задания начальных параметров называется начальной выставкой инерциальной системы.
Как следует из приведенной схемы для определения местоположения и скорости ЛА с помощью ИНС необходимо вычислять гравитационное ускорение Земли g(r). Обычно для вычисления гравитационного ускорения в качестве модели Земли используется эллипсоид Красовского. В этом случае радиальная gr и горизонтальная (то есть лежащая в плоскости местного горизонта) g составляющая определяются на основе следующих соотношений:
gr = - M/r2[1+Ja2/r2(1-3sin2)]+r2cos2
g = - [ Ma2/r4 +1/2r2 ]sin2
- универсальная гравитационная постоянная; M - масса Земли; - широта в геоцентрической системе координат или геоцентрическая широта; a - большая полуось земного эллипсоида; r - радиус вектор из цента Земли до текущей точки на её поверхности; J- эмпирическая константа J= 0.0016; - угловая скорость вращения Земли.
Последнее слагаемое в приведенных выражениях обусловлено вращением Земли, остальные слагаемые – притяжением массы Земли.
Радиус вектор из цента Земли до текущей точки на её поверхности r рассчитывается через высоту полета ЛА на основе следующего соотношения:
r = a(1-1/2е2sin2)]+h
h - высота над поверхностью земного эллипсоида; е - эксцентриситет земного эллипсоида.
Приведенные соотношения определяют составляющие ускорения силы тяжести в геоцентрической системе координат. Зная матрицу преобразования из геоцентрической системы координат в систему координат, в которой производится интегрирование уравнений движения ЛА, можно определить ускорение силы тяжести относительно последней.
3. Начальная выставка инерциальной системы. Для осуществления навигации ЛА с помощью ИНС необходимо знать начальное положение и скорость. Кроме того, для измерения ускорений внешних сил необходимо перед началом работы выставить в заданном направлении оси акселерометров (оси платформы, на которой они расположены). Обычно эта информация вводится в навигационный вычислитель от внешних источников информации. Частью этого процесса, который называется начальной выставкой ИНС, является также калибровка гироскопов инерциальной системы, то есть оценка и последующая компенсация их дрейфа. Погрешности с которыми определяется и реализуется каждая из перечисленных величин, составляют начальные ошибки ИНС.
Рассмотрим некоторые способы начальной выставки ИНС. Прежде всего рассмотрим способы определения начальных координат и скорости ЛА.
Способы определения начальных координат и скорости ЛА.
1) Геодезическая привязка. Это самый точный метод определения начальных координат. Он основа на привязке места старта ЛА к системе координат, в которой осуществляется определение параметров движения ЛА, с помощью топографических методов. Привязка обычно осуществляется в геодезической системе координат. При необходимости осуществлять навигацию в другой системе координат, начальные координаты, полученные геодезической привязкой, пересчитываются их геодезической в систему координат, принятую для навигации. Точность геодезической привязки обычно составляет 25-50 м. Определение начальных координат геодезической привязкой возможно только в тех случаях, когда старт ЛА производится с Земли и точка старта заранее известна.
2) Привязка с помощью другого навигационного комплекса. В том случае, когда точка старта заранее неизвестна, а такое положение характерно для крылатых ЛА, запускаемых с самолета, корабля или подводной лодки, информация о координатах ЛА поступает в ИНС от навигационного комплекса носителя. В этом случае точность информации о начальном положении определяется точностью навигационного комплекса носителя и составляет по современным данным от 50м до 1 км.
3) Определение скорости для наземного старта. Если начальная выставка ИНС происходит на Земле на неподвижном основании, то измерять скорость е требуется, поскольку скорость движения ЛА относительно Земли равна 0. Проекции скорости вращения Земли рассчитываются по известным координатам точки старта. В этом случае точность задания скорости можно считать абсолютной.
4) Задание скорости с помощью другого навигационного комплекса. Этот способ задания начальной скорости аналогичен способу привязки ИНС по координатам с помощью другого навигационного комплекса. Точность его колеблется от десятых долей м/с до единиц м/с.
Выставка осей ИНС. Начальная выставка осей ИНС предполагает совмещение осей платформы с осями системы координат, используемой для навигации ЛА. Это согласование обеспечивается путем соответствующего поворота осей гиростабилизированной платформы. При этом для получения исходной информации, необходимой для выставки осей ИНС используются следующие типы систем: наземные, небесные, исходные инерциальные системы.
Источниками информации в наземных системах могут быть геодезические направления, топографические знаки, отвесы и уровни. Используя эти источники можно установить направление вертикали с точность до 1 угловой минуты и азимут с точность до 3-4 угл. минут. Точность информации, достигаемой при использовании пеленгаторов небесных светил (телескопов), обычно достигает 10 секунд. Если в качестве исходной для выставки осей ИНС используется другая навигационная система, то её точность определяется как начальными ошибками выставки этой системы, так и ошибками, которые появляются в результате запаздывания во времени её работы и моментом выставки по ней углов ИНС.
Все перечисленные системы позволяют определить требуемые значения углов для выставки осей ИНС. Однако эту информацию ещё необходимо передать на оси гиростабилизированной платформы, для её разворота. Для этой цели используются передающие приборы двух типов: электромеханические и оптические.
Оптические приборы используются тогда, когда удается установить оптическую связь осей ИНС с внешней системой, задающей требуемую ориентацию осей. В этом случае для начальной выставки осей ИНС используются теодолиты и приборы с поляризацией света. Точность таких приборов достигает порядка нескольких угловых секунд. Если установить оптическую связь осей ИНС с внешней системой невозможно используются электромеханические системы.