В автономном полете: как устроена инерциальная навигационная система
Крупнейшим производителем инерциального навигационного оборудования в нашей стране является «Концерн Радиоэлектронные технологии»
Когда-то путешественникам хватало простейших приборов для определения местоположения, но со временем расстояния и скорости перемещения выросли, и к навигационному оборудованию стали предъявляться повышенные требования. Радиолокацию сменила спутниковая навигация, но и у нее остаются свои слабые стороны – зависимость от спутников, уязвимость для помех и подавления. Поэтому разработанные во второй половине XX века автономные инерциальные системы навигации до сих пор сохраняют актуальность и продолжают развиваться.
Крупнейшим производителем инерциального навигационного оборудования в нашей стране является «Концерн Радиоэлектронные технологии» Госкорпорации Ростех. Его предприятия разрабатывают и выпускают инерциальные навигационные системы более 60 лет. Недавно Раменский приборостроительный завод выпустил тысячный блок уникальной инерциальной навигационной системы ИНС-2000.
Рассказываем, как устроена и работает инерциальная навигационная система, что ей помогает не зависеть от земных ориентиров и капризов природы.
Без внешних ориентиров
Инерциальные навигационные системы (ИНС) – единственное на сегодняшний день средство для автономного, то есть не зависящего от внешних источников информации, определения положения и ориентации объекта в пространстве. Подобные системы используются в авиации, космонавтике, на кораблях и подводных лодках, в беспилотных и роботизированных устройствах. С помощью ИНС движущиеся объекты могут без спутниковой связи с высокой точностью определять местоположение, свою ориентацию и скорость. Кроме того, в отличии от распространенной навигации по GPS инерциальные системы более устойчивы к помехам и перехвату.
Устройство ИНС можно разделить на два ключевых элемента: измерительное оборудование, собирающее данные, и навигационный компьютер, обрабатывающий информацию. За измерения в составе ИНС отвечают гироскопы и акселерометры. Гироскопы – они могут быть механическими или лазерными – определяют углы наклона объекта относительно трех основных осей: тангаж, рысканье и крен. Акселерометры считывают линейное ускорение. ИНС может быть дополнена и другими датчиками, например, магнитометром, измеряющим магнитное поле, или барометрическим высотомером.
ИНС бывают платформенными и бесплатформенными. В первом случае измерительная аппаратура устанавливается на гиростабилизированную платформу, которая вращается независимо от ИНС. Во втором случае акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора, а функции платформы моделируются математически вычислительной системой. Преимуществом платформенных систем является их более высокая точность, бесплатформенные же варианты более компактны, потребляют меньше энергии и обладают неограниченными углами измерения.
Как работает инерциальная система
В упрощенном виде работу ИНС можно представить по следующей схеме. В блок ввода начальной информации загружаются исходные данные для калибровки навигационной системы и ориентации инерционных датчиков. Затем эти данные попадают в блок измерений, вычислительный блок и блок времени, который синхронизируется с мировым временем. В ходе движения блок измерений регистрирует изменения параметров, на основе которых вычислительный блок определяет скорость и координаты объекта, после чего они передаются в систему управления.
Важнейшим параметром в работе ИНС является система отсчета. Она обеспечивает исходную ориентацию для начала навигации. Грубо говоря, система отсчета каждый раз подсказывает прибору, где право, где лево, где верх, а где низ, а также точку старта движения. В качестве системы отсчета могут выступать астрономические объекты, Земля или горизонт, также она может быть произвольной.
Несмотря на довольно высокую точность, инерциальные навигационные системы имеют и свои недостатки. Слабым местом ИНС являются ошибки в измерениях, которые накапливаются с течением времени в получаемой от приборов информации – так называемый дрейф. Так как навигационный компьютер суммирует каждое измерение, чтобы выяснить, как изменилось положение по сравнению с предыдущей оценкой, небольшая погрешность со временем растет, и общая оценка становится все более неточной. Для коррекции подобных ошибок инерциальные системы обычно дополняются GPS-датчиками.
Навигация из Раменского
В нашей стране первые устройства, основанные на инерциальной навигации, появились в 1960-е годы. Пионером в этом направлении выступило Раменское приборостроительное конструкторское бюро (РПКБ), в котором уже с 1958 года разрабатывались первые проекты ИНС для летательных аппаратов. В последующие годы инерциальные системы многократно совершенствовались. Раменское предприятие создавало навигационные комплексы и другое оборудование для самолетов ОКБ Сухого, Микояна, Туполева, Ильюшина, Камова, Миля и др.
Раменский приборостроительный завод (РПЗ), при котором когда-то было создано конструкторское бюро, также многие годы выпускает инерциальные навигационные системы. Оба предприятия входят в структуру «Концерна Радиоэлектронные технологии» Госкорпорации Ростех. Одной из основных серийных инерциальных навигационных систем, выпускаемых РПЗ, сегодня является система ИНС-2000 и ее модификации.
ИНС-2000 относится к платформенным системам с применением механических гироскопов. Она выполнена в виде моноблока, состоящего из гиростабилизированной платформы на базе динамически настраиваемых гироскопов, сервисной электроники, вычислителя и блока интерфейса. При необходимости система может комплектоваться магнитометром и интегрироваться со спутниковой навигацией.
ИНС-2000 отличается высокой точностью работы. При автономном использовании погрешность системы составляет не более 3,7 км за час полета, а при работе со встроенным блоком спутниковой коррекции не превышает 40 м за час.
Раменским приборостроительным заводом создано пять модификаций системы, которые позволяют использовать разработку практически для любых летательных аппаратов. Изделия отличаются функционально-программным обеспечением — каждое из них адаптировано под конкретные комплексы бортового оборудования, учитывает характеристики определенного типа самолетов и вертолетов.
Сегодня ИНС-2000 используется в качестве бортового датчика навигационной информации в большинстве отечественных вертолетов и самолетов. В 2016 году на раменском предприятии была проведена модернизацию изделия по замене импортной элементной базы на отечественную в рамках импортозамещения. В феврале 2022 года Раменский приборостроительный завод выпустил тысячный блок инерциальной навигационной системы ИНС-2000.