Palielinoties prasībām koordinātu sistēmām, ir jāizstrādā jauni navigācijas principi. Jo īpaši viens no modernitātes diktētajiem nosacījumiem bija salīdzinoši neatkarīgu mērķa objektu atrašanās vietas mērīšanas līdzekļu ieviešana. Šīs iespējas nodrošina inerciāla navigācijas sistēma, kas novērš nepieciešamību pēc signāliem no radiobākiem un satelītiem.
Tehnoloģiju pārskats
Inerciālā navigācija ir balstīta uz mehānikas likumiem, kas ļauj fiksēt ķermeņu kustības parametrus attiecībā pret izveidoto atskaites sistēmu. Pirmo reizi šis navigācijas princips kuģu žirokompasos tika izmantots salīdzinoši nesen. Uzlabojoties šāda veida mērinstrumentiem, radāspaņēmiens, kas nosaka izmērītos parametrus, pamatojoties uz ķermeņu paātrinājumiem. Inerciālās navigācijas sistēmas teorija sāka veidoties tuvāk pagājušā gadsimta 30. gadiem. No šī brīža pētnieki šajā jomā sāka pievērst lielāku uzmanību mehānisko sistēmu stabilitātes principiem. Praksē šo koncepciju ir diezgan grūti īstenot, tāpēc ilgu laiku tā palika tikai teorētiskā formā. Taču pēdējās desmitgadēs, kad parādījās speciāls aprīkojums, kura pamatā ir datori, inerciālās navigācijas rīki ir aktīvi izmantoti aviācijā, ūdens inženierijā utt.
Sistēmas komponenti
Jebkuras inerciālās sistēmas obligātie elementi ir jutīgu mērierīču un skaitļošanas ierīču bloki. Pirmo elementu kategoriju pārstāv žiroskopi un akselerometri, bet otrā ir datortehnika, kas realizē noteiktus aprēķinu algoritmus. Metodes precizitāte lielā mērā ir atkarīga no jutīgo ierīču īpašībām. Piemēram, uzticami dati ļauj iegūt inerciālās navigācijas sistēmas tikai ar precīza tipa žiroskopiem kopā ar akselerometriem. Taču šajā gadījumā tehniskajam aprīkojumam ir nopietns trūkums – elektromehāniskā pildījuma augstā sarežģītība, nemaz nerunājot par iekārtu lielo izmēru.
Kā sistēma darbojas
Koordinātu noteikšanas metode, izmantojot inerciālo sistēmu, ir datu apstrāde par ķermeņu paātrinājumu, kā arī toleņķiskie ātrumi. Šim nolūkam atkal tiek izmantoti jutīgi elementi, kas uzstādīti tieši uz mērķa objekta, pateicoties kuriem tiek ģenerēta informācija par meta pozīciju, kustības gaitu, nobraukto attālumu un ātrumu. Turklāt inerciālās navigācijas sistēmas darbības princips ļauj izmantot līdzekļus objekta stabilizēšanai un pat automātiskai kontrolei. Šādiem nolūkiem tiek izmantoti lineārā paātrinājuma sensori ar žiroskopisku aprīkojumu. Ar šo ierīču palīdzību tiek izveidota atskaites sistēma, kas darbojas attiecībā pret objekta trajektoriju. Atbilstoši ģenerētajai koordinātu sistēmai tiek noteikti slīpuma un griešanās leņķi. Šīs tehnoloģijas priekšrocības ietver autonomiju, automatizācijas iespēju un augstu trokšņu noturības pakāpi.
Inerciālo navigācijas sistēmu klasifikācija
Pamatā aplūkotās navigācijas sistēmas ir sadalītas platformās un strapdown (SINS). Pirmās tiek sauktas arī par ģeogrāfiskām, un tajās var būt divas platformas. Viens tiek nodrošināts ar žiroskopiem un ir orientēts inerciālajā laukā, bet otrs tiek kontrolēts ar akselerometriem un stabilizējas attiecībā pret horizontālo plakni. Rezultātā koordinātas tiek noteiktas, izmantojot informāciju par abu platformu relatīvo stāvokli. SINS modeļi tiek uzskatīti par tehnoloģiski progresīvākiem. Siksnas inerciālajai navigācijas sistēmai nav trūkumu, kas saistīti ar žiroplatformu izmantošanas ierobežojumiem. Ātrums unobjektu atrašanās vietas šādos modeļos tiek novirzītas uz digitālo skaitļošanu, kas arī spēj ierakstīt datus par leņķisko orientāciju. Mūsdienu SINS sistēmu izstrādes mērķis ir optimizēt skaitļošanas algoritmus, nesamazinot sākotnējo datu precizitāti.
Platformu sistēmu orientācijas noteikšanas metodes
Nezaudējiet aktualitāti un sistēmas, kas strādā ar platformām, lai noteiktu sākotnējos datus par objekta dinamiku. Šobrīd veiksmīgi darbojas šāda veida platformas inerciālās navigācijas modeļi:
- Ģeometriskā sistēma. Standarta modelis ar divām platformām, kas tika aprakstīts iepriekš. Šādas sistēmas ir ļoti precīzas, taču tām ir ierobežojumi ļoti manevrētspējīgu transportlīdzekļu apkalpošanā, kas darbojas kosmosā.
- Analītiskā sistēma. Tas izmanto arī akselerometrus un žiroskopus, kas ir nekustīgi attiecībā pret zvaigznēm. Šādu sistēmu priekšrocības ietver spēju efektīvi apkalpot manevrējamus objektus, piemēram, raķetes, helikopterus un iznīcinātājus. Bet pat salīdzinājumā ar inerciālo navigācijas sistēmu analītiskajām sistēmām ir zema precizitāte objekta dinamikas parametru noteikšanā.
- Daļēji analītiskā sistēma. Nodrošina viena platforma, kas nepārtraukti stabilizējas vietējā horizonta telpā. Šajā bāzē atrodas žiroskops un akselerometrs, un aprēķini tiek organizēti ārpus darba platformas.
Inerciālo satelītsistēmu funkcijas
Šī ir daudzsološa integrētu navigācijas sistēmu klase, kas apvieno satelīta signālu avotu priekšrocības un pārdomātus inerciālos modeļus. Atšķirībā no populārajām satelītu sistēmām, šādas sistēmas ļauj papildus izmantot datus par leņķisko orientāciju un veidot neatkarīgus pozicionēšanas algoritmus, ja nav navigācijas signālu. Papildu ģeogrāfiskās atrašanās vietas informācijas iegūšana ļauj tehniski vienkāršot jutīgo elementu modeļus, atsakoties no dārgām iekārtām. Inerciālās satelītnavigācijas sistēmas priekšrocības ietver mazu svaru, mazo izmēru un vienkāršotas datu apstrādes shēmas. No otras puses, MEMS žiroskopu nestabilitāte izraisa kļūdu uzkrāšanos datu noteikšanā.
Inerciālo sistēmu pielietojuma jomas
Inerciālās navigācijas tehnoloģiju potenciālo patērētāju vidū ir dažādu nozaru pārstāvji. Tā ir ne tikai astronautika un aviācija, bet arī automobiļi (navigācijas sistēmas), robotika (kinemātisko raksturlielumu kontroles līdzekļi), sports (kustības dinamikas noteikšana), medicīna un pat sadzīves tehnika utt.
Secinājums
Inerciālās navigācijas teoriju, kuras jēdziens sāka veidoties pagājušajā gadsimtā, mūsdienās var uzskatīt par pilnvērtīgu mehatronikas sadaļu. Tomēr jaunākie sasniegumi liecina, ka nākotnē varparādās un progresīvāki atklājumi. Par to liecina inerciālo navigācijas sistēmu ciešā mijiedarbība ar datorzinātnēm un elektroniku. Parādās jauni vērienīgi uzdevumi, paplašinot telpu radniecīgu tehnoloģiju attīstībai, arī balstoties uz teorētisko mehāniku. Tajā pašā laikā šī virziena eksperti aktīvi strādā pie tehnisko līdzekļu optimizēšanas, starp kuriem galvenie ir mikromehāniskie žiroskopi.
