Naraščajoče zahteve po koordinatnih sistemih zahtevajo razvoj novih načel navigacije. Zlasti eden od pogojev, ki jih je narekovala sodobnost, je bila uvedba relativno neodvisnih sredstev za merjenje lokacije ciljnih objektov. Te zmogljivosti zagotavlja inercialni navigacijski sistem, ki odpravlja potrebo po signalih radijskih svetilnikov in satelitov.
Pregled tehnologije
Inercialna navigacija temelji na zakonih mehanike, ki vam omogoča, da določite parametre gibanja teles glede na uveljavljen referenčni okvir. Prvič se je to načelo navigacije začelo uporabljati relativno nedavno v ladijskih žirokompasih. Z izboljšanjem merilnih instrumentov te vrste so nastalitehnika, ki določa izmerjene parametre na podlagi pospeškov teles. Teorija inercialnega navigacijskega sistema se je začela oblikovati bližje tridesetim letom prejšnjega stoletja. Od tega trenutka so raziskovalci na tem področju začeli posvečati več pozornosti načelom stabilnosti mehanskih sistemov. V praksi je ta koncept precej težko izvedljiv, zato je dolgo časa ostal le v teoretični obliki. Toda v zadnjih desetletjih, s prihodom posebne opreme, ki temelji na računalnikih, se inercialna navigacijska orodja aktivno uporabljajo v letalstvu, vodnem inženirstvu itd.
Sistemske komponente
Obvezni elementi katerega koli inercialnega sistema so bloki občutljivih merilnih in računalniških naprav. Prvo kategorijo elementov predstavljajo žiroskopi in merilniki pospeška, drugo pa računalniška oprema, ki izvaja določene računske algoritme. Natančnost metode je v veliki meri odvisna od značilnosti občutljivih naprav. Na primer, zanesljivi podatki omogočajo pridobivanje inercialnih navigacijskih sistemov le z natančnimi žiroskopi v povezavi z merilniki pospeška. Toda v tem primeru ima tehnična oprema resno pomanjkljivost v obliki visoke kompleksnosti elektromehanskega polnjenja, da ne omenjam velike velikosti opreme.
Kako sistem deluje
Način določanja koordinat z uporabo inercialnega sistema je obdelava podatkov o pospešku teles, pa tudi njihovekotne hitrosti. Za to se spet uporabljajo občutljivi elementi, nameščeni neposredno na ciljni objekt, zahvaljujoč katerim se generirajo informacije o metapoložaju, poteku gibanja, prevoženi razdalji in hitrosti. Poleg tega načelo delovanja inercialnega navigacijskega sistema omogoča uporabo sredstev za stabilizacijo in celo samodejno krmiljenje predmeta. Za te namene se uporabljajo senzorji linearnega pospeška z žiroskopsko opremo. S pomočjo teh naprav se oblikuje sistem poročanja, ki deluje glede na trajektorijo predmeta. Glede na generiran koordinatni sistem se določijo koti naklona in vrtenja. Prednosti te tehnologije vključujejo avtonomijo, možnost avtomatizacije in visoko stopnjo odpornosti proti hrupu.
Klasifikacija inercialnih navigacijskih sistemov
V osnovi so obravnavani navigacijski sistemi razdeljeni na platforme in strapdown (SINS). Prvi se imenujejo tudi geografski in lahko vsebujejo dve platformi. Enega zagotavljajo žiroskopi in je orientiran v inercialnem polju, drugega pa nadzorujejo merilniki pospeška in se stabilizira glede na vodoravno ravnino. Kot rezultat, se koordinate določijo z uporabo informacij o relativnem položaju obeh platform. Modeli SINS veljajo za tehnološko naprednejše. Inercialni navigacijski sistem s trakom je brez pomanjkljivosti, povezanih z omejitvami pri uporabi žiroplatform. Hitrost inlokacije objektov v takih modelih se preusmerijo v digitalno računalništvo, ki je sposobno tudi zapisovati podatke o kotni orientaciji. Cilj sodobnega razvoja sistemov SINS je optimizirati računske algoritme brez zmanjšanja natančnosti začetnih podatkov.
Metode za določanje orientacije sistemov platform
Ne izgubijo pomembnosti in sistemi, ki delujejo s platformami za določitev začetnih podatkov o dinamiki objekta. Trenutno se uspešno uporabljajo naslednji modeli platformnih inercialnih navigacijskih modelov:
- Geometrijski sistem. Standardni model z dvema platformama, ki je bil opisan zgoraj. Takšni sistemi so zelo natančni, vendar imajo omejitve pri servisiranju zelo manevrskih vozil, ki delujejo v vesolju.
- Analitični sistem. Uporablja tudi merilnike pospeška in žiroskope, ki so nepremični glede na zvezde. Prednosti takšnih sistemov vključujejo zmožnost učinkovitega služenja vodljivim objektom, kot so rakete, helikopterji in lovci. Toda tudi v primerjavi z inercialnim navigacijskim sistemom, analitični sistemi kažejo nizko natančnost pri določanju parametrov dinamike predmeta.
- Polanalitični sistem. Zagotavlja ga ena platforma, ki se nenehno stabilizira v prostoru lokalnega obzorja. Ta baza vsebuje žiroskop in merilnik pospeška, izračuni pa so organizirani zunaj delovne platforme.
Značilnosti inercialnih satelitskih sistemov
To je obetaven razred integriranih navigacijskih sistemov, ki združujejo prednosti virov satelitskega signala in upoštevanih inercialnih modelov. Za razliko od priljubljenih satelitskih sistemov takšni sistemi omogočajo dodatno uporabo podatkov o kotni orientaciji in oblikovanje neodvisnih algoritmov pozicioniranja v odsotnosti navigacijskih signalov. Pridobivanje dodatnih geolokacijskih informacij nam omogoča, da tehnično poenostavimo modele občutljivih elementov, pri čemer zavrnemo drago opremo. Prednosti inercialnega satelitskega navigacijskega sistema vključujejo majhno težo, majhnost in poenostavljene sheme obdelave podatkov. Po drugi strani pa nestabilnost MEMS žiroskopov povzroča kopičenje napak pri določanju podatkov.
Področja uporabe inercialnih sistemov
Med potencialnimi porabniki tehnologije inercialne navigacije so predstavniki različnih panog. To ni samo astronavtika in letalstvo, ampak tudi avtomobilska industrija (navigacijski sistemi), robotika (sredstva za nadzor kinematičnih lastnosti), šport (določanje dinamike gibanja), medicina in celo gospodinjski aparati itd.
Sklep
Teorijo inercialne navigacije, katere koncept se je začel oblikovati v prejšnjem stoletju, danes lahko štejemo za polnopravni del mehatronike. Vendar pa nedavni dosežki kažejo, da lahko prihodnostpojavljajo se in naprednejša odkritja. To dokazuje tesna interakcija inercialnih navigacijskih sistemov z računalništvom in elektroniko. Pojavljajo se nove ambiciozne naloge, ki širijo prostor za razvoj sorodnih tehnologij, ki temeljijo tudi na teoretični mehaniki. Hkrati se strokovnjaki v tej smeri aktivno ukvarjajo z optimizacijo tehničnih sredstev, med katerimi so osnovna mikromehanski žiroskopi.
