Inerciālā navigācijas sistēma

Inerciālā navigācijas sistēma (INS, arī inerciālā vadības sistēma un inerciālais instruments) ir navigācijas ierīce, kura izmanto kustības sensorus (akselerometrus), rotācijas sensorus (žiroskopus) un datoru, lai pastāvīgi izskaitļotu kustībā esoša objekta atrašanās vietu, orientāciju un ātrumu (kustības virzienu un ātrumu) ar lagrēķina palīdzību bez ārējiem mērījumiem. Bieži inerciālos sensorus papildina ar barometrisko altimetru un dažreiz ar magnētiskajiem sensoriem (magnetometriem) un/vai ātruma mērīšanas ierīcēm. INS izmanto mobilajos robotos un tādos transportlīdzekļos kā kuģi, lidaparāti, zemūdenes, raķešieroči un kosmiskie aparāti. Vecākas INS transportlīdzeklī parasti uzstādīja uz inerciālajām platformām, bet mūsdienās šo terminu dažreiz uzskata par sinonīmu pašai inerciālajai navigācijas sistēmai.

Kosmosa kuģa inerciālā mērierīce IMU-28

Tā kā integrēšanas robežas ietver laika periodu, tad ir skaidrs, ka nepieciešams stabils un precīzs pulkstenis pagājušā laika noteikšanai.

Darbība

Inerciālā navigācija ir paņēmiens ar kuru nosaka tādas platformas kā kuģis pārvietojumu no sākotnējās pozīcijas mērot tā paātrinājumus un pagriešanās leņķiskos ātrumus. Tam nepieciešami akselerometri un žiroskopi. Ar akselerometriem mēra lineāro paātrinājumu, bet ar žiroskopiem rotācijas parametrus. Būtībā tā ir ierīce, kura izskaitļo sagaidāmo pozīciju (estimated position, EP) bez ārējiem mērījumiem izņemot sākotnējā stāvokļa koordinātes, kuras ir jāievada.

Inerciālās navigācijas pamatā ir fakts, ka noietais attālums ir ātruma un laika reizinājums, bet ātrums tiek iegūts sareizinot paātrinājumu ar laiku. Taisnvirziena kustībā ātrumu jebkurā momentā var iegūt zinot paātrinājumu, kurš izmērīts īsos laika intervālos. Ātrumu izmanto, lai aprēķinātu veikto attālumu no sākotnējā punkta. Kustībai divās dimensijās vajag divus akselerometrus, kuri novietoti 90° leņķī viens pret otru. Papildus tam jāizmēra platformas leņķiskais ātrums, lai iegūtu leņķi starp ķermeņa diametrālo plakni un kaut kādu ārēju pamata virzienu, kurš parasti ir virziens uz ziemeļiem. Kustībai trijās dimensijās nepieciešami trīs lineārie akselerometri un trīs žiroskopi, kuri mēra sānisko šūpošanos, garenisko šūpošanos un griešanos ap vertikālo asi.

Akselerometru un žiroskopu kombināciju vienā iekārtā sauc par inerciālo mērierīci (inertial measurement unit, IMU). Sagaidāmās pozīcijas iegūšanai ar pastāvīgiem aprēķiniem izmanto ciparu procesoru. Galvenais IMU trūkums ir tāds, ka tā cieš no nepārtrauktas kļūdu uzkrāšanās, jo katrs jauns atrašanās vietas un orientācijas mērījums balstās uz iepriekš veiktajiem aprēķiniem. Tas ir pretēji pavadoņnavigācijas sistēmām, kuras normāli savas atrašanās vietas noteikšanai neizmanto iepriekš veiktus mērījumus. Tādējādi IMU cena ir visai augsta tikai dēļ to konstrukcijas augstās precizitātes, kāda nepieciešama, lai uzkrātā kļūda paliktu pieņemamās robežās.

Agrākās ierīcēs paātrinājuma sensorus turēja pastāvīgā leņķī attiecībā pret Zemi uz platformas kardāna iekarē, kuru stabilizēja ar žiroskopiem. Pirmos komerciāli pieejamos žiroskopus izstrādāja Dr. Hermanis Anšucs (Dr Hermann Anschütz) un Elmers Sperijs (Elmer Sperry) ap 1910. gadu un tos pārsvarā izmantoja žirokompasos. Pieaugot skaitļošanas jaudai, modernās IMU realizē kā saistītās (strapdown) sistēmas. Tas nozīmē, ka visi sensori būtībā ir cieši piestiprināti platformai un tā transportlīdzeklim. Sistēma aprēķinos ņem vērā platformas pagrieziena leņķi un tās novietojumu attiecībā pret Zemes virsmu.

Sensori

Vibrējošas struktūras MEMS žiroskops

Modernajās IMU var izmantot dažādas žiroskopu tehnoloģijas, tajā skaitā lāzera, optiskās šķiedras, kvarca un mikroelektromehanisko sistēmu sensorus (Micro-machined Electromechanical Sensors, MEMS). Lāzeržiroskopā (Ring Laser Gyro, RLG) izmanto spoguļus, kuri atstaro lāzera izstaroto gaismu apkārt pa 360°, piemēram, izvietojot spoguļus trijstūra virsotnēs. Staru sašķeļ tā, ka viena komponente ceļo pulksteņa rādītāja kustības virzienā un otra pretēji tam. Jebkura pamatnes rotācija momentāli izmaina kopējo laiku, kāds nepieciešams katrai stara komponentei, lai veiktu ceļu ķēdē. To var noteikt izmērot starpību laikā starp abu staru pienākšanas momentiem. Praktiski tas notiek izmērot fāžu nobīdi starp abiem stariem.

Optiskās šķiedras žiroskopu (Fibre Optic Gyro, FOG) darbības princips ir līdzīgs RLG, bet stari ceļo pa optiskās šķiedras kabeļa spoli. Spoles var sastāvēt no daudziem kilometriem kabeļa, kurš tādējādi ievērojami pastiprina laika starpības efektu salīdzinot ar to, kas iegūts no RLG. Tomēr citi pastāvošie šīs tehnoloģijas izmantošanas trūkumi nozīmē, ka augstas kvalitātes FOG izpildījums ir salīdzināms ar augstas kvalitātes RLG.

Kvarca un MEMS tehnoloģija ir bāzēta vibrējošu objektu tendencē uzturēt vibrāciju nemainīgā plaknē neskatoties uz pamatnes rotāciju. Tādējādi platformas rotāciju var konstatēt izmērot vibrācijas plaknes kustību attiecībā pret platformu. Tā ir Koriolisa spēka izpausme. MEMS tehnoloģija ir bāzēta mehānisku ierīču izgatavošanā izmantojot tādas pašas kodināšanas tehnoloģijas, kādas izmanto pusvadītāju ierīču izgatavošanā. Tas ir viens no nanotehnoloģiju izmantošanas piemēriem. Kā MEMS pamatni var izmantot dažādus materiālus, tajā skaitā silīciju un kvarcu.

Masveida komerciāla interese par MEMS inerciālajiem sensoriem ir palīdzējusi to attīstībā un cenu samazinājumā. Aizvien intensīvāk tos izmanto autorūpniecībā visdažādākajiem mērķiem, piemēram, drošības spilvenu iedarbināšanā, automātiskajās bremzēšanas sistēmās un elektroniskajā stabilitātes kontrolē.

Precizitāte

Dažādu navigācijas sistēmu precizitātes salīdzinājums: riņķa rādiuss raksturo precizitāti. Mazāks rādiuss atbilst augstākai precizitātei

Karakuģi, īpaši zemūdenes, bieži izmanto IMU, kurās pagātnē lietoja rotējoša diska žiroskopus. Zemūdeņu versijas raksturojas ar fenomenālu precizitāti un cenu, ļaujot zemūdenēm kuģot ilgāk par 24 stundām bez ārējas kuģa atrašanās vietas noteikšanas. Vairumu IMU mūsdienās izmanto lidaparātos un raķetēs, taču ir sagaidāms, ka pārskatāmā nākotnē tās kļūs izplatītākas arī tirdzniecības kuģos. Tas notiek tādēļ, ka uzlabotā tehnoloģija samazina cenas līdz tādam līmenim, kad ierīces sniegtās priekšrocības kļūst pieejamas par pieņemamu cenu.

IMU ir atradušas savu pielietojumu kā īstermiņa rezerves sistēmas pavadoņu navigācijai. Ja uz dažām sekundēm vai pat minūtēm, atkarībā no izmantotās IMU tehnoloģijas, pazūd pavadoņa signāls, vēljoprojām būs pieejamas precīzas atrašanās vietas koordinātas. Tāpat tās nodrošina daudz ātrāku atrašanās vietas atjaunošanu salīdzinot ar pavadoņu navigāciju dodot simtiem nolasījumu katru sekundi, kas var būt noderīgi izmantojot dinamiskās pozicionēšanas sistēmas. Papildus tam tās nodrošina daudz precīzāku atrašanās vietas informāciju pagrieziena laikā, kura var nebūt tik precīza izmantojot tikai pavadoņnavigācijas sistēmu uztvērējus. Ņemot vērā augstāk minētos iemeslus un aizvien pieņemamākās kombinēto sistēmu cenas, ir sagaidāms, ka nākotnē šādas sistēmas tiks aizvien plašāk izmantotas uz kuģiem.

IMU īstermiņa stabilitāte un pavadoņnavigācijas sistēmu ilgtermiņa stabilitāte padara tās par ideālu kombināciju. Koordinātes, kas iegūtas no pavadoņnavigācijas sistēmas pastāvīgi kalibrē IMU un tādējādi, kad pavadoņu navigācijas sistēma uz laiku nav pieejama, precīza navigācija var turpināties.

2007. gadā Notingemas Universitāte Apvienotās Karalistes galvenās bāku asociācijas uzdevumā pētīja iespējas izmantot inerciālos sensorus kā ilgtermiņa rezerves sistēmu GPS. Diemžēl pētījuma rezultātā tika secināts, ka paredzamā nākotnē par pieejamām cenām iegādātas sistēmas būs spējīgas nodrošināt izmantojamas atrašanās vietas koordinātes tikai dažas minūtes ilgi. Tomēr, tā kā prasmīgs stūrmanis, izmantojot tādas plaši lietotas sistēmas kā žirokompass un laga, spēj iegūt daudz labāku rezultātu, pastāv iespēja izveidot daudz labāku automātisku sistēmu, ja arī šie instrumenti kļūst par daļu no rezerves sistēmas. Iespējams būtu nepieciešami dati no elektroniskām straumju tabulām, vēja mērierīcēm un piemērota kuģa vadīšanas raksturlielumu ciparu modeļa. Ar augstāk minētajiem uzlabojumiem var būt iespējams izveidot automātisku lagrēķina sistēmu, kura dažu stundu periodā varētu būt visai precīza - līdz dažiem simtiem metru - un iespējams saglabātu izmantojamu precizitāti dažu jūras jūdžu robežās paejot vairākām dienām.

Ārējās saites

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Enciklopēdijas Krugosvet raksts (krieviski)
• Inerciālās navigācijas sistēma. Kā tā darbojas? (krieviski)
• Video par inerciālās navigācijas sistēmas izveidošanu vēsturi (angliski)