Narastajúce požiadavky na súradnicové systémy si vyžadujú vývoj nových princípov navigácie. Najmä jednou z podmienok diktovaných modernosťou bolo zavedenie relatívne nezávislých prostriedkov na meranie polohy cieľových objektov. Tieto schopnosti poskytuje inerciálny navigačný systém, ktorý eliminuje potrebu signálov z rádiových majákov a satelitov.
Prehľad technológií
Inerciálna navigácia je založená na zákonoch mechaniky, čo vám umožňuje fixovať parametre pohybu telies vzhľadom na stanovený referenčný rámec. Prvýkrát sa tento princíp navigácie začal uplatňovať pomerne nedávno v lodných gyrokompasoch. So zdokonaľovaním meracích prístrojov tohto typu vzniklitechnika, ktorá určuje namerané parametre na základe zrýchlení telies. Teória inerciálneho navigačného systému sa začala formovať bližšie k tridsiatym rokom 20. storočia. Od tohto momentu začali výskumníci v tejto oblasti venovať väčšiu pozornosť princípom stability mechanických systémov. V praxi je tento koncept dosť ťažko realizovateľný, preto dlho ostal len v teoretickej forme. Ale v posledných desaťročiach, s príchodom špeciálneho vybavenia založeného na počítačoch, sa inerciálne navigačné nástroje aktívne používajú v letectve, vodnom inžinierstve atď.
Systémové komponenty
Povinnými prvkami každého inerciálneho systému sú bloky citlivých meracích zariadení a výpočtových zariadení. Prvou kategóriou prvkov sú gyroskopy a akcelerometre a druhou sú počítačové zariadenia, ktoré implementujú určité výpočtové algoritmy. Presnosť metódy do značnej miery závisí od charakteristík citlivých zariadení. Napríklad spoľahlivé údaje umožňujú získať inerciálne navigačné systémy iba s presnými gyroskopmi v spojení s akcelerometrami. Technické vybavenie má však v tomto prípade vážnu nevýhodu v podobe vysokej zložitosti elektromechanického plnenia, nehovoriac o veľkých rozmeroch zariadenia.
Ako systém funguje
Metóda určenia súradníc pomocou inerciálnej sústavy spočíva v spracovaní údajov o zrýchlení telies, ako aj o ichuhlové rýchlosti. K tomu opäť slúžia citlivé prvky inštalované priamo na cieľovom objekte, vďaka ktorým sa generujú informácie o metapozícii, priebehu pohybu, prejdenej vzdialenosti a rýchlosti. Okrem toho princíp činnosti inerciálneho navigačného systému umožňuje použiť prostriedky na stabilizáciu a dokonca aj automatické riadenie objektu. Na tieto účely sa používajú lineárne snímače zrýchlenia s gyroskopickým zariadením. Pomocou týchto zariadení sa vytvára systém správ, ktorý funguje vzhľadom na trajektóriu objektu. Podľa vygenerovaného súradnicového systému sa určujú uhly sklonu a natočenia. Medzi výhody tejto technológie patrí autonómia, možnosť automatizácie a vysoký stupeň odolnosti voči rušeniu.
Klasifikácia inerciálnych navigačných systémov
Uvažované navigačné systémy sa v zásade delia na platformu a strapdown (SINS). Prvé sa tiež nazývajú geografické a môžu obsahovať dve platformy. Jeden zabezpečujú gyroskopy a je orientovaný v inerciálnom poli a druhý je riadený akcelerometrami a stabilizuje sa voči horizontálnej rovine. V dôsledku toho sú súradnice určené pomocou informácií o relatívnej polohe dvoch platforiem. Modely SINS sa považujú za technologicky vyspelejšie. Inerciálny navigačný systém s popruhom je zbavený nevýhod spojených s obmedzeniami pri používaní gyroplatforiem. Rýchlosť apolohy objektov v takýchto modeloch sú posunuté do digitálnej výpočtovej techniky, ktorá je tiež schopná zaznamenávať údaje o uhlovej orientácii. Moderný vývoj systémov SINS sa zameriava na optimalizáciu výpočtových algoritmov bez zníženia presnosti počiatočných údajov.
Metódy na určenie orientácie systémov platformy
Nestraťte relevanciu a systémy, ktoré spolupracujú s platformami na určovaní počiatočných údajov o dynamike objektu. V súčasnosti sú úspešne prevádzkované nasledujúce typy modelov inerciálnej navigácie platformy:
- Geometrický systém. Štandardný model s dvoma platformami, ktorý bol popísaný vyššie. Takéto systémy sú vysoko presné, ale majú obmedzenia pri obsluhe vysoko manévrovateľných vozidiel operujúcich vo vesmíre.
- Analytický systém. Používa tiež akcelerometre a gyroskopy, ktoré sú vzhľadom na hviezdy stacionárne. Výhody takýchto systémov zahŕňajú schopnosť efektívne slúžiť manévrovateľným objektom, ako sú rakety, helikoptéry a stíhačky. Ale dokonca aj v porovnaní s inerciálnym navigačným systémom s páskou, analytické systémy vykazujú nízku presnosť pri určovaní parametrov dynamiky objektu.
- Poloanalytický systém. Zabezpečuje jedna plošina, priebežne sa stabilizujúca v priestore lokálneho horizontu. Táto základňa obsahuje gyroskop a akcelerometer a výpočty sú organizované mimo pracovnej plošiny.
Funkcie inerciálnych satelitných systémov
Toto je sľubná trieda integrovaných navigačných systémov, ktoré kombinujú výhody zdrojov satelitného signálu a uvažovaných inerciálnych modelov. Na rozdiel od populárnych satelitných systémov takéto systémy umožňujú dodatočne využívať údaje o uhlovej orientácii a vytvárať nezávislé polohovacie algoritmy pri absencii navigačných signálov. Získanie dodatočných geolokačných informácií nám umožňuje technicky zjednodušiť modely citlivých prvkov a odmietnuť drahé vybavenie. Medzi výhody inerciálneho satelitného navigačného systému patrí nízka hmotnosť, malé rozmery a zjednodušené schémy spracovania údajov. Na druhej strane nestabilita gyroskopov MEMS spôsobuje hromadenie chýb pri určovaní údajov.
Oblasti použitia inerciálnych sústav
Medzi potenciálnych spotrebiteľov technológie inerciálnej navigácie patria zástupcovia rôznych priemyselných odvetví. Nejde len o kozmonautiku a letectvo, ale aj o automobilový priemysel (navigačné systémy), robotiku (prostriedky na ovládanie kinematických charakteristík), šport (určovanie dynamiky pohybu), medicínu a dokonca aj domáce spotrebiče atď.
Záver
Teóriu inerciálnej navigácie, ktorej koncept sa začal formovať v minulom storočí, dnes možno považovať za plnohodnotný úsek mechatroniky. Nedávne úspechy však naznačujú, že budúcnosť môžeobjavujú a progresívnejšie objavy. Dokazuje to úzka interakcia inerciálnych navigačných systémov s informatikou a elektronikou. Objavujú sa nové ambiciózne úlohy, rozširujúce priestor pre rozvoj príbuzných technológií, založených aj na teoretickej mechanike. Odborníci v tomto smere zároveň aktívne pracujú na optimalizácii technických prostriedkov, medzi ktoré patrí najmä mikromechanické gyroskopy.
