Kasvavad nõuded koordinaatsüsteemidele tingivad vajaduse välja töötada uued navigatsioonipõhimõtted. Eelkõige oli üheks modernsuse dikteeritud tingimuseks sihtobjektide asukoha mõõtmise suhteliselt iseseisvate vahendite kasutuselevõtt. Neid võimalusi pakub inertsiaalne navigatsioonisüsteem, mis välistab vajaduse raadiomajakate ja satelliitide signaalide järele.
Tehnoloogia ülevaade
Inertsiaalne navigeerimine põhineb mehaanika seadustel, mis võimaldab teil fikseerida kehade liikumise parameetrid kehtestatud tugiraamistiku suhtes. Esimest korda hakati seda navigatsioonipõhimõtet laevade gürokompassides rakendama suhteliselt hiljuti. Seda tüüpi mõõteriistade täiustamisega tekkisidtehnika, mis määrab kehade kiirenduste põhjal mõõdetud parameetrid. Inertsiaalse navigatsioonisüsteemi teooria hakkas kujunema 1930. aastatel. Sellest hetkest hakkasid selle valdkonna teadlased rohkem tähelepanu pöörama mehaaniliste süsteemide stabiilsuse põhimõtetele. Praktikas on seda kontseptsiooni üsna raske rakendada, nii et pikka aega jäi see vaid teoreetiliseks vormiks. Kuid viimastel aastakümnetel, arvutitel põhinevate eriseadmete tulekuga, on inertsiaalseid navigatsioonitööriistu aktiivselt kasutatud lennunduses, veetehnikas jne.
Süsteemikomponendid
Iga inertsiaalsüsteemi kohustuslikud elemendid on tundlike mõõteseadmete ja arvutusseadmete plokid. Esimest kategooria elemente esindavad güroskoobid ja kiirendusmõõturid ning teiseks arvutiseadmed, mis rakendavad teatud arvutusalgoritme. Meetodi täpsus sõltub suuresti tundlike seadmete omadustest. Näiteks võimaldavad usaldusväärsed andmed saada inertsiaalseid navigatsioonisüsteeme ainult täppis-tüüpi güroskoopidega koos kiirendusmõõturitega. Kuid sel juhul on tehnilistel seadmetel tõsine puudus elektromehaanilise täitmise keerukuse näol, rääkimata seadmete suurest suurusest.
Kuidas süsteem töötab
Koordinaatide määramise meetod inertsiaalsüsteemi abil on kehade kiirenduse ja ka nende kiirenduse andmete töötleminenurkkiirused. Selleks kasutatakse jällegi otse sihtobjektile paigaldatud tundlikke elemente, tänu millele genereeritakse infot metaasendi, liikumise käigu, läbitud vahemaa ja kiiruse kohta. Lisaks võimaldab inertsiaalse navigatsioonisüsteemi tööpõhimõte kasutada vahendeid objekti stabiliseerimiseks ja isegi automaatseks juhtimiseks. Sellistel eesmärkidel kasutatakse güroskoopiliste seadmetega lineaarseid kiirendusandureid. Nende seadmete abil moodustatakse aruandesüsteem, mis töötab objekti trajektoori suhtes. Loodud koordinaatsüsteemi järgi määratakse kalde- ja pöördenurgad. Selle tehnoloogia eelised hõlmavad autonoomiat, automatiseerimise võimalust ja kõrget mürakindlust.
Inertsiaalsete navigatsioonisüsteemide klassifikatsioon
Põhimõtteliselt jagunevad vaadeldavad navigatsioonisüsteemid platvormideks ja rihmadeks (SINS). Esimesi nimetatakse ka geograafilisteks ja need võivad sisaldada kahte platvormi. Üks on varustatud güroskoopidega ja on orienteeritud inertsiaalväljale ning teist juhitakse kiirendusmõõturite abil ja see stabiliseerub horisonta altasandi suhtes. Selle tulemusena määratakse koordinaadid, kasutades teavet kahe platvormi suhtelise asukoha kohta. SINS-i mudeleid peetakse tehnoloogiliselt arenenumateks. Strapdown inertsiaalsel navigatsioonisüsteemil puuduvad puudused, mis on seotud güroplatvormide kasutamise piirangutega. Kiirus jaobjektide asukohad sellistes mudelites on nihutatud digitaalsele andmetöötlusele, mis on samuti võimeline salvestama andmeid nurkorientatsiooni kohta. SINS-süsteemide kaasaegse arenduse eesmärk on optimeerida arvutusalgoritme ilma algandmete täpsust vähendamata.
Platvormisüsteemide orientatsiooni määramise meetodid
Ärge kaotage asjakohasust ja süsteeme, mis töötavad koos platvormidega, et määrata kindlaks objekti dünaamika algandmed. Praegu kasutatakse eduk alt järgmist tüüpi platvormi inertsiaalseid navigeerimismudeleid:
- Geomeetriline süsteem. Eespool kirjeldatud kahe platvormiga standardmudel. Sellised süsteemid on väga täpsed, kuid neil on piiranguid kosmoses töötavate suure manööverdusvõimega sõidukite teenindamiseks.
- Analüütiline süsteem. Samuti kasutatakse kiirendusmõõtureid ja güroskoope, mis on tähtede suhtes paigal. Selliste süsteemide eeliste hulka kuulub võime teenindada tõhus alt manööverdatavaid objekte, nagu raketid, helikopterid ja hävitajad. Kuid isegi võrreldes inertsiaalse rihmaga navigeerimissüsteemiga näitavad analüütilised süsteemid objekti dünaamika parameetrite määramisel madalat täpsust.
- Poolanalüütiline süsteem. Seda pakub üks platvorm, mis stabiliseerub pidev alt kohaliku horisondi ruumis. Sellel baasil on güroskoop ja kiirendusmõõtur ning arvutused tehakse väljaspool tööplatvormi.
Inertsiaalsete satelliitsüsteemide omadused
See on paljutõotav integreeritud navigatsioonisüsteemide klass, mis ühendab satelliidi signaaliallikate ja kaalutletud inertsiaalsete mudelite eelised. Erinev alt populaarsetest satelliidisüsteemidest võimaldavad sellised süsteemid täiendav alt kasutada andmeid nurga orientatsiooni kohta ja moodustada sõltumatuid positsioneerimisalgoritme navigatsioonisignaalide puudumisel. Täiendava geograafilise asukoha teabe hankimine võimaldab tehniliselt lihtsustada tundlike elementide mudeleid, keeldudes kallistest seadmetest. Inertsiaalse satelliitnavigatsioonisüsteemi eelisteks on väike kaal, väiksus ja lihtsustatud andmetöötlusskeemid. Teisest küljest põhjustab MEMS-güroskoopide ebastabiilsus andmete määramisel vigade kuhjumist.
Inertsiaalsüsteemide rakendusvaldkonnad
Inertsiaalse navigatsioonitehnoloogia potentsiaalsete tarbijate hulgas on erinevate tööstusharude esindajaid. See pole mitte ainult astronautika ja lennundus, vaid ka autotööstus (navigatsioonisüsteemid), robootika (kinemaatiliste omaduste kontrollimise vahendid), sport (liikumise dünaamika määramine), meditsiin ja isegi kodumasinad jne.
Järeldus
Inertsiaalse navigatsiooni teooriat, mille kontseptsioon hakkas kujunema eelmisel sajandil, võib tänapäeval pidada täieõiguslikuks mehhatroonika osaks. Hiljutised saavutused viitavad aga sellele, et tulevik võibilmuvad ja progressiivsemad avastused. Sellest annab tunnistust inertsiaalsete navigatsioonisüsteemide tihe koostoime arvutiteaduse ja elektroonikaga. Ilmuvad uued ambitsioonikad ülesanded, mis avardavad ruumi seotud tehnoloogiate arendamiseks, tuginedes ka teoreetilisele mehaanikale. Samal ajal töötavad selle suuna eksperdid aktiivselt tehniliste vahendite optimeerimise nimel, mille hulgas on põhilised mikromehaanilised güroskoopid.
