Інерційна система наведення
Інерційна система, це один з найстаріших з відомих людству способів навігації. Не найточніший, не найнадійніший. Але такий метод використовується і сьогодні як система наведення ракет і безпілотників, навігації підводних човнів та навіть космічних кораблів.
Інерційна навігація
Для того, щоб зрозуміти, як працює інерційна система наведення, потрібно повернутися на пару тисяч років назад…
В античності люди вже добре освоїли мореплавання, але у відкрите море майже ніхто не виходив. Використовувалося так зване каботажне плавання, тобто вздовж берега.
Це робилося для того, щоб завжди мати орієнтири і розуміти, де знаходиться корабель. Це зручно та безпечно, важко заблукати у морі. А на ніч можна пристати до берега відпочити та поповнити запаси.
Але що робити, якщо все ж таки потрібно вийти у відкрите море? Як капітан розумітиме де він знаходиться і куди рухається?
З напрямком все просто, компас ще не винайдений, але сонце та зірки є, тому слідкувати за напрямком можна. У чому тоді проблема?
Ми знаємо напрямок, тобто можемо прокреслити лінію на карті, але не знаємо де саме на цій лінії ми знаходимося. Для цього потрібно знати, яку відстань пройшов корабель. Як це з’ясувати?
Для цього потрібен час і швидкість, помноживши одне на інше, отримаємо відстань. Час можна порахувати за допомогою пісочного годинника, а швидкість корабля за допомогою такого простого пристрою як лаг (це мотузка з вузликами та вантажем).
Маємо напрям, час та швидкість. Завжди можемо визначити, де ми знаходимося.
Це і є інерційна система навігації. Принаймні принцип роботи залишається тим самим і досі.
Може здатися, що з появою супутникової навігації більше нічого не потрібно. Ми завжди знаємо, де ми, якщо є зв’язок із супутником. Але для підводних човнів, крилатих і балістичних ракет і тим більше для космічних апаратів інерційна система все одно залишається основною.
Інерційна система наведення
Суть інерційної системи наведення у тому, що з визначення місця знаходження, швидкості і прискорення не використовуються зовнішні орієнтири.
Простою мовою інерційну систему наведення можна описати так:
Визначте, куди ви хочете потрапити, наприклад, це може бути сусідня кімната. Потім закрийте очі і йдіть у тому напрямку. Рахуйте кроки і намагаєтеся не збитися з курсу. Ви використовуєте інерційну систему наведення, тобто орієнтуєтеся самі собою.
Ось така проста аналогія.
Ця система хороша тим, що не потребує зовнішніх вказівок. Але є суттєвий недолік ініціальної системи — чим більша відстань, тим більшою буде помилка. З прикладу вище зрозуміло, що чим далі йти із заплющеними очима, тим більше шансів збитися зі шляху. Але якщо іноді відкривати очі, то можна коригувати напрямок руху.
Тільки це вже називатиметься комбінованою системою навігації.
Інерційна система наведення ракет
Найчастіше про інерційну систему можна почути під час опису системи наведення ракет. Але не лише військовими вона так подобається. Цей принцип може використовуватись і для навігації цивільних суден та літаків. Звичайно, у поєднанні з іншими методами навігації.
Справа в тому, що цивільний транспорт діє в інших умовах, принаймні його не намагатиметься позбавити орієнтації за допомогою глушення сигналів GPS. Інерційні системи за таких умов є основними.
Але, наприклад, для крилатих ракет шанс, що навігаційна система виявиться без зовнішніх орієнтирів вірогідніший. Те саме справедливе для міжконтинентальних балістичних ракет, але з іншої причини.
Ці ракети на середній ділянці польоту опиняються в космосі, де допомогти може тільки метод астрокорекції (орієнтування за зірками) та інерційна система знову ставати основною.
Як працює інерційна система
Для визначення свого положення в просторі інерційна система використовує такі прилади:
- акселерометри – для визначення прискорення та швидкості (швидкість можна отримати інтегруванням функції прискорення)
- гіроскопи – для визначення напрямку руху. Точніше, визначення відхилення від заданих осей.
Комплект із цих двох пристроїв і дозволяє визначати кутові координати, швидкість, прискорення, тобто все те, що потрібно для відповіді на запитання: “де я перебуваю”, “куди рухаюся”, “з якою швидкістю та прискоренням”.
Все це виглядає досить просто, але насправді дуже складна справа з інженерної точки зору.
Інерційна система має багато переваг і лише один недолік.
Переваги:
- автономність — не потрібні жодні зовнішні дані
- перешкодозахищеність — якщо дані з поза не надходять, то й перешкод і помилок у цих даних не буде
- автоматизація — якщо система працює постійно, її просто автоматизувати і з її допомогою керувати рухом
Недолік лише один, але дуже серйозний:
- інерційна система накопичує помилку. Її точність не абсолютна, а значить зі зростанням відстані зростатиме і помилка.
Історичний приклад. Перша в світі балістична ракета Фау-2 мала достатню точність, щоб потрапити в місто Лондон. Не в будинок у місті, не в квартал, а кудись у місто. Її точність спочатку була в межах +/- 20 км, але з часом німці змогли довести її до “плюс, мінус 10 кілометрів”. Адже дальність її запуску становила всього 250 км.
Сучасні системи використовують дуже точне обладнання – лазерні гіроскопи та оптичні акселерометри. Але навіть якщо система має точність у межах 0,01%, це означає, що на великих відстанях помилка все одно буде значною.
А відстані стають дедалі більше. Для підводного човна це цілий океан, а для космічного апарату відстані і зовсім міжпланетні.
І тим не менш, інерційні системи наведення та навігації широко використовуються і постійно вдосконалюються. Дивно, що акселерометр і гіроскоп сьогодні надають практично ті ж дані, що компас і мотузка з вантажем сотні років тому. Принципи відкриті так багато років тому, за часів вітрил і весел, все ще актуальні люди планують польоти на інші планети.
