Инерциальная система

Инерциальная система, это один самый старый из известных человечеству способов навигации. Не самая точная, не самая надежная. Но она используется и сегодня в качестве системы наведения ракет и беспилотников, навигации подводных лодок и космических кораблей.

Инерциальная навигация

Для того, чтобы понять как работает инерциальная система наведения, нужно вернуться на пару тысяч лет назад…

В античности люди уже хорошо освоили мореплавание, но в открытое море почти никто не выходил. Использовалось так называемое каботажное плавание, то есть — вдоль берега.

Чтобы иметь всегда ориентиры и понимать, где находится корабль. Это удобно и безопасно, трудно заблудиться в море. А на ночь можно пристать к берегу отдохнуть и пополнить припасы.

Но что делать, если все таки нужно выйти в открытое море? Как капитан будет понимать где находится и куда идет?

С направлением все просто, компас еще не изобретен, но солнце и звезды есть, поэтому следить за направлением можно. В чем же тогда проблема?

Мы знаем направление, то есть можем прочертить линию на карте но не знаем, где именно на этой линии мы находимся. Для этого нужно знать, какое расстояние прошел корабль. Как же это выяснить?

Всего лишь нужно время и скорость, умножив одно на другое, получим расстояние. Время можно посчитать с помощью песочных часов, а скорость корабля с помощью такого пустого устройства как лаг (это веревка с узелками и с грузом).

Имеем направление, время и скорость. Всегда можем определить где мы находимся.

Это и есть инерциальная система навигации. По крайней принцип работы остается прежним до сих пор.

Может показаться, что с появлением спутниковой навигации больше ничего и не нужно. Мы всегда знаем где мы, если есть связь со спутником. Но для подводных лодок, крылатых и баллистических ракет и тем более для космических аппаратов инерциальная система все равно остается основной.

Инерциальная система наведения

Суть инерциальной системы наведения в том, что для определения положения, скорости и ускорения не используются внешние ориентиры.

Простым языком инерциальную систему наведения можно описать так:

Определите куда вы хотите попасть, например, это может быть соседняя комната. Потом закройте глаза и идите в том направлении. Считайте шаги и пытаетесь не сбиться с курса. Вы используете инерциальную систему наведения, то есть ориентируетесь сами по себе.

Эта система хороша тем, что не нуждается во внешних указаниях. Но есть существенный недостаток инициальной системы — чем больше расстояние, тем больше будет ошибка. Из примера выше понятно, что чем дальше идти с закрытыми глазами, тем больше шансов сбиться с пути. Но если иногда открывать глаза, то можно корректировать направление движения.

Только это уже будет называться комбинированной системой.

Инерциальная система наведения ракет

Чаще всего об инерциальной системе можно услышать при описании системы наведения ракет. Но не только военными она так нравиться. Этот принцип может использоваться и для навигации гражданских суден и самолетов. Конечно в сочетании с другими методами навигации.

Дело в том, что гражданский транспорт действует в других условиях, по крайней мере его не пытаться лишить ориентации с помощью глушения сигналов GPS. Инерциальные системы в таких условиях не являются основными.

Но, например, для крылатых ракет шанс, что их навигационная система окажется без внешних ориентиров более вероятен. То же справедливо для межконтинентальных баллистических ракет, но по другой причине.

Эти ракеты на среднем участке полета оказываются в космосе, где помочь может только метод астрокоррекции (ориентирование по звездам) и инерциальная система опять становиться основной.

Как работает инерциальная система

Для определения своего положения в пространстве, инерциальная система использует такие приборы:

• акселерометры — для определения ускорения и скорости (скорость можно получить интегрированием функции ускорения)
• гироскопы — для определения направления движения. Точнее, для определения отклонения от заданных осей.

Комплект из этих двух устройств и позволяет определять угловые координаты, скорость, ускорение, то есть все то что нужно для ответа на вопросы: «где я нахожусь», «куда двигаюсь», «с какой скоростью и ускорением».

Все это выглядит достаточно просто, но на самом деле является очень сложным делом с инженерной точки зрения.

Инерциальная система имеет много преимуществ и всего один недостаток.

Преимущества:

1. автономность — не нужны никакие внешние данные
2. помехозащищенность — раз данные из вне не поступают, то и помех и ошибок в этих данных не будет
3. автоматизация — раз система работает постоянно, то ее просто автоматизировать и с ее помощью управляти движением

Недостаток, он всего один но зато очень серьезный:

1. инерциальная система накапливает ошибку. Ее точность не абсолютна, а значит с ростом расстояния будет расти и ошибка.

Исторический пример. Первая в мире баллистическая ракета Фау-2 обладала точностью достаточной чтобы попасть в город Лондон. Не в дом в городе, не в квартал, а куда-то в город. Ее точность с начала находилась в пределах +/- 20 км, но со временем немцы смогли довести ее до «плюс, минус 10 километров». В ведь дальность ее пуска составляла всего 250 км.

Современные системы используют очень точное оборудование — лазерные гироскопы и оптические акселерометры. Но даже если система имеет точность в пределах 0,01% это означает, что на больших расстояниях ошибка все равно будет значительной.

А расстояния становятся все больше. Для подводной лодки — это целый океан, а для космического аппарата расстояния и вовсе межпланетные.

И тем не менее, инерциальные системы наведения и навигации широко используются и постоянно совершенствуются. Удивительно, что акселерометр и гироскоп сегодня предоставляют практически те же данные, что компас и веревка с грузом сотни лет назад. Принципы открытые так много лет назад, во времена парусов и весел, все еще актуальны людей планирующих полеты на другие планеты.