Inercyjny system nawigacji

Bezwładnościowy system nawigacji lub system nawigacji bezwładnościowej (ang. Bezwładnościowy system nawigacyjny ) krótko- INS jest 3-D układ pomiarowy z inercyjnym jednostki pomiarowej (ang. Inercyjny zespół pomiarowy , IMU), a centralna jednostka czujnika mającego wiele przyspieszenia i czujniki prędkości kątowej . Poprzez całkowanie przyspieszeń i prędkości obrotowych mierzonych przez IMU, przestrzenny ruch pojazdu lub statku powietrznego i na tej podstawie odpowiednie położenie geograficzne jest w sposób ciągły określane w INS . Główną zaletą INS jest to, że można go obsługiwać bez odniesienia, tj. Niezależnie od jakichkolwiek sygnałów lokalizacyjnych z otoczenia. Wadą jest nieunikniony dryf czujników.

Termin nawigacja inercyjna wywodzi się z zasady bezwładności . Inercyjna jednostka pomiarowa z czujnikami przyspieszenia i prędkości obrotowej oblicza każdą zmianę położenia pojazdu lub samolotu na podstawie przyspieszeń wewnętrznych, ilościowo znanych mas, zwanych również masami sejsmicznymi .

Główne wyzwania związane z budową INS to

  • zawsze wymagane podwójne całkowanie zmierzonych wartości przyspieszenia i proste całkowanie zmierzonych wartości prędkości kątowej,
  • silny dryf czujnika, a zwłaszcza w przypadku bardzo prostych czujników
  • matematycznie uwarunkowane sprzężenie krzyżowe ortogonalnych osi czujników,

których wpływ błędu ma skumulowany efekt w trakcie pomiaru. Wyświetlana lokalizacja „okrąża” rzeczywistą lokalizację na rozszerzającej się elipsie. Okres obiegu określa okres Schulera .

W praktyce INS jest sprzężony z innymi systemami nawigacyjnymi, które mają różne charakterystyki błędów. Na przykład połączenie z globalnym systemem nawigacji satelitarnej (GNSS) dostarcza absolutną informację o pozycji co sekundę, podczas gdy INS interpoluje wartości pośrednie, zwłaszcza w przypadku braku sygnałów.

Racjonalne uzasadnienie

Punktem wyjścia jest rejestracja przyspieszenia i prędkości obrotowej za pomocą inercyjnej jednostki pomiarowej. Jeśli przyspieszenie punktu masy w przestrzeni znane jest z jego wielkości i kierunku, jego prędkość uzyskuje się przez całkowanie go w czasie, a po dalszej integracji zmianę położenia s (t) spowodowaną prędkością. Jest to oparte na drugiej zasadzie mechaniki Newtona, a mianowicie:

Przy znanych warunkach początkowych - prędkości początkowej i punkcie początkowym - całkowanie w czasie daje bezwzględną lokalizację po przesunięciu czujnika.

To samo dotyczy prędkości kątowej, która z kolei może być przeliczona na kąt nachylenia w przestrzeni bezwładności po określeniu za pomocą czujnika prędkości obrotowej poprzez prostą całkowanie w czasie. W sumie INS mierzy jednocześnie sześć zmiennych, a mianowicie przyspieszenie i prędkość kątową, w każdym z trzech wzajemnie ortogonalnych kierunków przestrzennych. W tym celu stosuje się czujniki przyspieszenia dla trzech translacyjnych stopni swobody oraz dla trzech obrotowych czujników odchylenia, z których każdy jest zainstalowany w obudowie INS zgodnie z ich czułą osią. Ze względu na silniejsze dryfowanie czujnika, zwłaszcza przy spadającej cenie, zastosowanie INS obarczone jest błędem pomiaru, który zwiększa się kwadratowo wraz z postępem okresu pomiaru z powodu podwójnej integracji wyznaczania pozycji lub, w przypadku kąta obliczenia, nawet wprowadza błąd pozycji z trzecią potęgą. Ponadto, oprócz rzeczywistych użytecznych sygnałów używanych na Ziemi, mierzone są również wpływy przyspieszenia grawitacyjnego i obrotu Ziemi i dlatego należy je uwzględniać jako sygnały zakłócające.

Przyspieszenie można mierzyć z jednej strony za pomocą czujników przyspieszenia zamontowanych na pojeździe („strap-down”), z drugiej strony za pomocą akcelerometrów w pełni stabilizowanych żyroskopami kardanowymi, które mają stabilną płaszczyznę i kierunek w przestrzeni lub w odniesieniu do płaszczyzna styczna. Obrót Ziemi wokół Słońca (0,041 ° / h) i obrót ziemi (15 ° / h) można również zmierzyć lub skompensować za pomocą technologii żyroskopowej.

Niedrogie czujniki bezwładnościowe

Niedrogi wariant systemu nawigacji bezwładnościowej (Quantitec, Model IMU200), który jest stosowany w chirurgicznych systemach nawigacyjnych (IN-OPNA) do przeszczepów kolana.

W zastosowaniach przemysłowych (np. W powietrzu lub w kosmosie ) stosowane są czujniki przyspieszenia i prędkości kątowej, lasery są zwykle dużym, drogim sprzętem, który zwykle podlega również ograniczeniom handlowym ze względu na ich wojskową użyteczność przy wysokiej precyzji i niewielkim znoszeniu. W przeciwieństwie do tego, w związku z postępem mikromechanicznych technik wytwarzania , w ostatnich latach na rynku pojawiły się czujniki bezwładnościowe, które przy znanych dotychczas zasadach działania są szczególnie małe, lekkie i niedrogie oraz mogą z łatwością polegać na elektronice. nośniki w postaci układów mikroelektromechanicznych ( MEMS ). Czujniki bezwładnościowe oparte na MEMS mają jednak dryft, który jest o rząd wielkości większy niż systemy laserowe. Typowe dla takich urządzeń są zastosowania, w których stabilność długoterminowa odgrywa niewielką lub żadną rolę, takie jak użycie akcelerometrów do wyzwalania poduszek powietrznych w pojazdach, żyroskopów do stabilizacji pojazdów (patrz ESP ) lub pocisków kierowanych. Czujniki bezwładnościowe są również używane jako komponenty do korekcji drgań aparatu w aparatach cyfrowych. Inne zastosowania obejmują pomiar nachylenia w smartfonach i tabletach PC , jako urządzenie wejściowe w konsolach do gier (Nintendo Wii ) lub jako detektory kroków w elektronicznych pomocach szkoleniowych.

zaangażowanie

Inercyjny system nawigacji pocisku średniego zasięgu S3

INS, zwłaszcza te systemy oparte na MEMS, dostarczają wiarygodnych wartości tylko dla krótkich okresów pomiarowych. Dzięki nawigacji naziemnej staje się. używać wpływ zakrzywionej powierzchni ziemi, aby ograniczyć wzrost błędu położenia do liniowego wzrostu w czasie ( kompensacji Schuler , Schuler okres 84 minut). Dlatego nawigacja inercyjna jest często łączona z innymi metodami, na przykład odometrią w pojazdach lub nawigacją satelitarną w ruchu lotniczym, w celu uzyskania większej dokładności w długich okresach czasu.

Dokładność czujnika prostych INS opartych na MEMS i żyroskopach światłowodowych wynosi w przybliżeniu od 1 ° / s do 0,01 ° / h dryfu żyroskopu. Dzięki laserowym systemom nawigacji żyroskopowej można osiągnąć od około 0,001 ° / h do 1 ° / h dryfu żyroskopu . W przypadku wysokiej jakości systemów nawigacyjnych skutkuje to odchyleniem przestrzennym od około 0,05 NM / h do 3 NM / h ( mil morskich na godzinę) przy swobodnej nawigacji blisko ziemi i wsparciu wysokości.

Zanim udostępniono nawigację satelitarną do korygowania położenia INS, INS był używany samodzielnie w ruchu lotniczym. Na początku lat 70. odchylenie urządzeń INS wynosiło maksymalnie 10  mil morskich w ciągu 5 godzin lotu. B. podczas przeprawy przez ocean. Wczesne urządzenia INS umożliwiły zaoszczędzenie na nawigatorze w samolotach długodystansowych dzięki automatyzacji - ale nie dzięki dokładności nawigacji - ponieważ nawigator mógł łatwo obliczyć dokładniejszą pozycję za pomocą sekstansu . Stosunkowo duża niedokładność wczesnych systemów INS nie stanowiła jednak problemu, ponieważ radiolatarnie NDB mogły często i łatwo obliczyć dość dokładne położenie w pobliżu wybrzeża lub nad lądem .

Poczucie równowagi u ssaków jest również zorganizowany jak INS, który służy jako pętli sterowania dla korekcji położenia dla krótkoterminowych pomiarów . Sacculus i utriculus w narządzie równowagi rejestrują przyspieszenie, podczas gdy kanały półkoliste rejestrują ruchy obrotowe.

W przypadku owadów latających, takich jak komary, kołyszące się żarówki dostarczają informacji o obrotach w przestrzeni. Statocysty przejmują funkcję czujnika przyspieszenia .

Ponieważ systemy nawigacji inercyjnej (INS) mogą obejść się bez sygnałów GNSS, duże zainteresowanie budzą obszary zastosowań, w których odbiór satelitarny nie jest możliwy (np. Pod wodą, pod ziemią, w budynkach). Przykładami są otwory tunelowe , łodzie podwodne i torpedy . Nawigacja inercyjna jest również interesująca w zastosowaniach wojskowych - takich jak latające pociski kierowane - ponieważ odbiór sygnałów satelitarnych można uniemożliwić za pomocą zagłuszaczy lub broni antysatelitarnej .

Inne interesujące obszary zastosowań to:

Nawigacja w budynkach

Zaczynając od problemu, że globalne systemy nawigacji ( GNSS ) obecnie używane na zewnątrz, takie jak GPS czy GLONASS , nie mogą być stosowane w pomieszczeniach zamkniętych ze względu na ekranowanie przez budynki i przeszkody na drodze propagacji sygnału, po rozwiązania zaprojektowane dla obszarów wewnętrznych z punktu widzenia optycznego, akustycznego lub falowego wiążą się zwykle ze znacznym nakładem pracy instalacyjnym, kosztami akwizycji oraz zakłócaniem przez ludzi i przedmioty w pomieszczeniu, oczywistym było użycie do takich zadań bezreferencyjnego INS. Nie można ich ekranować, mają nieograniczony obszar roboczy, a oprócz ich zminiaturyzowanej i przenośnej konstrukcji są bardzo niedrogie. Można je przymocować do mierzonego przedmiotu lub zintegrować z nim, z tą zaletą, że hermetyzacja chroni je przed wilgocią, brudem itp. Głównymi niedogodnościami są odchylenia i efekty interferencyjne opisane powyżej, które można zredukować do minimum tylko w przypadku zastosowania zorientowanego na aplikację, odpowiednio ustawiając INS i stosując przetwarzanie sygnału oparte na oprogramowaniu, na przykład stosując filtrowanie Kalmana . Jednym z najbardziej zaawansowanych instytutów badawczych w tej dziedzinie jest CCASS w Darmstadt.

historia

Zasada nawigacji inercyjnej została opisana w patencie już w 1910 roku. Już w pierwszych rakietach płynnych - z. B. niemieckie A4  - zastosowano inercyjne systemy nawigacyjne oparte na żyroskopach . W latach pięćdziesiątych wojsko amerykańskie rozwinęło nawigację bezwładnościową i wykorzystano ją w atomowej łodzi podwodnej Nautilus . Dziś stała się nieodzowną częścią przemysłu lotniczego, ale prawie zawsze jest sprzężona z radiem lub nawigacją satelitarną, która umożliwia bezwzględne określanie pozycji z dokładnością do kilku centymetrów w czasie rzeczywistym .

System pocisków artyleryjskich średniej wielkości ma system nawigacji inercyjnej. Oto punkty trygonometryczne, do których podejdzie się w terenie, wprowadź znaną pozycję w systemie nawigacyjnym. Jeśli wyrzutnia rakiet przesunie się do pozycji strzelania, trasa i zmiany kierunku są rejestrowane i na tej podstawie obliczana jest aktualna pozycja. W międzyczasie GPS jest również używany do bezpośredniego określania pozycji.

W szczególności w podróżach kosmicznych nawigacja bezwładnościowa jest stosowana tylko oszczędnie, ponieważ ma błędy pomiarowe w czasie (na przykład z powodu tarcia), a wysokie zapotrzebowanie na energię wynikające z jej działania obciąża zasoby statku kosmicznego. Dlatego w załogowych statkach kosmicznych nadal znajduje się na Sekstancie kosmicznym uciekającym się do bezzałogowych sond kosmicznych, a satelity są używane jako czujniki gwiazd . Na przykład podczas lotów księżycowych programu Apollo między Ziemią a Księżycem dokonano do czterech korekt kursu w każdym kierunku. Po optycznym określeniu położenia i położenia lotu bezwładnościowe urządzenie pomiarowe zostało włączone i wyregulowane, co trwało od około 45 minut do godziny. Po poprawkach bezwładnościowe urządzenie pomiarowe zostało ponownie wyłączone.

literatura

  • Jan Wendel: Zintegrowane systemy nawigacyjne - fuzja danych z czujników, GPS i nawigacja inercyjna. Oldenbourg, Monachium 2007, ISBN 978-3-486-58160-7 PDF
  • Haid Markus: Ulepszenie bezwładnościowego śledzenia obiektów bez odniesień dla taniej nawigacji w pomieszczeniach dzięki zastosowaniu filtrowania Kalmana. Fraunhofer IRB-Verlag, Stuttgart, 2005, ISBN 3-8167-6704-4
  • Oleg S. Salyčev: Nawigacja inercyjna stosowana - problemy i rozwiązania. BMSTU Press, Moskwa 2004, ISBN 5-7038-2395-1
  • Anthony Lawrence: Nowoczesna technologia inercyjna - nawigacja, naprowadzanie i sterowanie. Springer, Nowy Jork 2001, ISBN 0-387-98507-7
  • Averil B. Chatfield: Podstawy nawigacji inercyjnej o wysokiej dokładności. American Inst. Of Aeronautics and Astronautics, Reston 1997, ISBN 1-56347-243-0

Indywidualne dowody

  1. ↑ CCASS Competence Center for Applied Sensor Systems Darmstadt, „IN-OPNA - Inercyjny i bez odniesienia system nawigacji OR z wykorzystaniem inercyjnych niedrogich jednostek czujników” http://www.ccass.h-da.de/ sensorik / forschung / in -opna /
  2. ^ Karl J. Rells: Klip i wyczyść, 100-krotny ruch lotniczy . Bibliographisches Institut AG, Mannheim 1978, ISBN 3-411-01712-0 , strona 122
  3. ↑ Inercyjna technologia pomiarowa w zastosowaniach przemysłowych (artykuł przeglądowy Dr. E. v. Hinüber, iMAR, 1.8 MByte), http://www.imar.de