Zvyšující se požadavky na souřadnicové systémy vyžadují vývoj nových principů navigace. Zejména jednou z podmínek diktovaných modernitou bylo zavedení relativně nezávislých prostředků měření polohy cílových objektů. Tyto schopnosti poskytuje inerciální navigační systém, který eliminuje potřebu signálů z rádiových majáků a satelitů.
Přehled technologie
Inerciální navigace je založena na zákonech mechaniky a umožňuje vám fixovat parametry pohybu těles vzhledem ke stanovenému referenčnímu rámci. Poprvé se tento princip navigace začal uplatňovat relativně nedávno v lodních gyrokompasech. Se zdokonalováním měřicích přístrojů tohoto typu vznikltechnika, která určuje naměřené parametry na základě zrychlení těles. Teorie inerciálního navigačního systému se začala formovat blíže ke 30. letům minulého století. Od tohoto okamžiku začali badatelé v této oblasti věnovat více pozornosti principům stability mechanických systémů. V praxi je tento koncept poměrně obtížně realizovatelný, proto dlouho zůstával pouze v teoretické podobě. Ale v posledních desetiletích, s příchodem speciálního vybavení založeného na počítačích, byly inerciální navigační nástroje aktivně používány v letectví, vodním inženýrství atd.
Systémové komponenty
Povinnými prvky každého inerciálního systému jsou bloky citlivých měřicích zařízení a výpočetních zařízení. První kategorií prvků jsou gyroskopy a akcelerometry a druhou jsou počítačové vybavení, které implementuje určité výpočetní algoritmy. Přesnost metody do značné míry závisí na vlastnostech citlivých zařízení. Například spolehlivá data umožňují získat inerciální navigační systémy pouze s přesnými gyroskopy ve spojení s akcelerometry. Technické vybavení má ale v tomto případě vážnou nevýhodu v podobě vysoké složitosti elektromechanického plnění, nemluvě o velkých rozměrech zařízení.
Jak systém funguje
Metodou určování souřadnic pomocí inerciální soustavy je zpracování dat o zrychlení těles a také jejichúhlové rychlosti. K tomu opět slouží citlivé prvky instalované přímo na cílový objekt, díky kterým se generují informace o metapoloze, průběhu pohybu, ujeté vzdálenosti a rychlosti. Princip činnosti inerciálního navigačního systému navíc umožňuje použít prostředky pro stabilizaci a dokonce i automatické řízení objektu. Pro tyto účely se používají lineární snímače zrychlení s gyroskopickým zařízením. Pomocí těchto zařízení se vytváří systém hlášení, který pracuje vzhledem k trajektorii objektu. Podle vygenerovaného souřadnicového systému se určí úhly sklonu a natočení. Mezi výhody této technologie patří autonomie, možnost automatizace a vysoký stupeň odolnosti proti rušení.
Klasifikace inerciálních navigačních systémů
Uvažované navigační systémy se v zásadě dělí na platformu a strapdown (SINS). První jmenované se také nazývají geografické a mohou obsahovat dvě platformy. Jeden je zajištěn gyroskopy a je orientován v inerciálním poli a druhý je řízen akcelerometry a stabilizuje se vůči horizontální rovině. V důsledku toho jsou souřadnice určeny pomocí informací o vzájemné poloze obou plošin. Modely SINS jsou považovány za technologicky vyspělejší. Inerciální navigační systém strapdown postrádá nevýhody spojené s omezeními při používání gyroplatforem. Rychlost aumístění objektů v takových modelech je posunuto na digitální výpočetní techniku, která je také schopna zaznamenávat data o úhlové orientaci. Moderní vývoj systémů SINS si klade za cíl optimalizovat výpočetní algoritmy bez snížení přesnosti počátečních dat.
Metody pro určení orientace platformových systémů
Neztrácejte relevanci a systémy, které spolupracují s platformami k určení počátečních dat o dynamice objektu. V současné době jsou úspěšně provozovány následující typy modelů inerciální navigace na platformě:
- Geometrický systém. Standardní model se dvěma platformami, který byl popsán výše. Takové systémy jsou vysoce přesné, ale mají omezení při obsluze vysoce manévrovatelných vozidel operujících ve vesmíru.
- Analytický systém. Využívá také akcelerometry a gyroskopy, které jsou vzhledem ke hvězdám stacionární. Mezi výhody těchto systémů patří schopnost efektivně sloužit manévrovatelným objektům, jako jsou rakety, vrtulníky a stíhačky. Ale dokonce i ve srovnání s inerciálním navigačním systémem uvázaným na místě vykazují analytické systémy nízkou přesnost při určování parametrů dynamiky objektu.
- Semianalytický systém. Zajišťuje jedna platforma, průběžně se stabilizující v prostoru lokálního horizontu. Tato základna obsahuje gyroskop a akcelerometr a výpočty jsou organizovány mimo pracovní plošinu.
Funkce inerciálních satelitních systémů
Jedná se o slibnou třídu integrovaných navigačních systémů, které kombinují výhody zdrojů satelitního signálu a uvažované inerciální modely. Na rozdíl od populárních satelitních systémů umožňují tyto systémy dodatečně využívat data o úhlové orientaci a vytvářet nezávislé polohovací algoritmy v nepřítomnosti navigačních signálů. Získání dalších geolokačních informací nám umožňuje technicky zjednodušit modely citlivých prvků a odmítnout drahé vybavení. Mezi výhody inerciálního satelitního navigačního systému patří nízká hmotnost, malé rozměry a zjednodušená schémata zpracování dat. Na druhou stranu nestabilita gyroskopů MEMS způsobuje hromadění chyb při určování dat.
Oblasti použití inerciálních soustav
Mezi potenciálními spotřebiteli inerciální navigační technologie jsou zástupci různých průmyslových odvětví. Nejde jen o kosmonautiku a letectví, ale také o automobilový průmysl (navigační systémy), robotiku (prostředky pro ovládání kinematických charakteristik), sport (určování dynamiky pohybu), medicínu a dokonce i domácí spotřebiče atd.
Závěr
Teorie inerciální navigace, jejíž koncept se začal formovat v minulém století, lze dnes považovat za plnohodnotný úsek mechatroniky. Nedávné úspěchy však naznačují, že budoucnost můžeobjevují a progresivnější objevy. Dokazuje to úzká interakce inerciálních navigačních systémů s informatikou a elektronikou. Objevují se nové ambiciózní úkoly rozšiřující prostor pro rozvoj souvisejících technologií, založených rovněž na teoretické mechanice. Zároveň odborníci v tomto směru aktivně pracují na optimalizaci technických prostředků, mezi ty základní patří mikromechanické gyroskopy.
