Как самолет может определить истинный север для инерциальных навигационных систем?

Как можно выровнять самолет по истинному северу для правильной настройки ИНС? Достаточно ли хороша разметка на парковке?

Небольшая ошибка в 0,5° в предполагаемом курсе приводит к ошибке в 10 морских миль в вычисленном местоположении на расстоянии Мадрид-Монреаль (3000 морских миль). Поскольку необходимо учитывать многие другие ошибки, север должен быть известен в большей степени для достижения этой точности, и ожидается также более высокая точность. Это невозможно сделать с помощью простых маркировок.

Но истинный север связан с осью вращения Земли, которую ИНС может точно определить с помощью гироскопа.

Инерциальные системы относятся к двум семействам: платформенные и бесплатформенные:

• В платформенной ИНС (ПИНС) акселерометры и гироскопы установлены на платформе с карданным подвесом, удерживаемой горизонтально и ориентированной на север с помощью моментных двигателей, приводимых в действие выходами гироскопов.

• В бесплатформенных ИНС (БИНС) эти датчики жестко закреплены на самолете.

PINS в основном используют импульсные колеса . Последние гироскопы являются БИНС, а не основаны на инерции, они обычно измеряют разницу в длине, создаваемую эффектом Саньяка ( волоконно-оптический , кольцевой лазер , акустический ...):

^{Кольцевые лазерные гироскопы в навигационной системе ВМС США AN/WSN-7 ( источник )}

Независимо от типа, выравнивание одинаково и состоит в восприятии оси вращения Земли и гравитации и состоит из двух частей: выравнивание, затем гирокомпасирование.

Принцип выравнивания

Расположение акселерометров и гироскопов в инерциальной системе и окончательная ориентация:

Прокачка

Оси, которые в конечном итоге будут указывать на север и восток, на первом этапе выравниваются путем наклона сборки. Выравнивание включает исключительно акселерометры и гравитацию.

Выравнивание реально для PINS, оно дает платформе рабочую ориентацию, определяемую обнулением выходных сигналов северного и восточного акселерометра, когда устройство неподвижно. После выравнивания акселерометры могут напрямую измерять ускорения вдоль направлений на север, восток и вверх.

Выравнивание виртуальное (программное) для БИНС. Он заключается в оценке исходной ориентации для построения матрицы преобразования. Эта матрица используется для проецирования значений, выдаваемых наклоненными датчиками, на платформу виртуального уровня. Затем матрица постоянно обновляется с учетом изменений ориентации, обнаруженных гироскопами.

Гирокомпасирование

Так же как нивелирование, гирокомпасирование бывает реальным или виртуальным в зависимости от типа инерциальной системы. Целью гирокомпасирования является определение истинного севера с помощью гироскопов.

После выравнивания для неподвижного самолета северный и восточный гироскопы (обозначенные X и Y ниже) воспринимают только вращение Земли в количествах, зависящих от их ориентации относительно оси вращения Земли:

• На левом изображении гироскоп X полностью ощущает влияние вращения Земли, поскольку он выровнен с осью вращения, гироскоп Y не обнаруживает никакого вращения.
• На среднем рисунке система повернута на 90°, результат обратный.
• На правом рисунке показан общий случай: оба гироскопа определяют скорость вращения Земли, но в количествах, зависящих от направления. X определяет скорость, пропорциональную косинусу направления, Y скорость, пропорциональную синусу.

Поиск севера осуществляется путем вращения (виртуальное вращение для БИНС) выровненной сборки вокруг вертикальной оси до тех пор, пока выходной сигнал восточного гироскопа не станет равным нулю, что означает, что его ось указывает на восток или запад. Эта неоднозначность устраняется определением направления вращения по другой оси, которая теперь указывает на север или юг.

Обнаружение скорости Земли зависит от (косинуса) угла широты:

^{Определение скорости вращения Земли инерциальной системой в зависимости от широты}

Объединяя то, что мы представили выше, воспринимаемые скорости Rx и Ry определяются как:

• $\omega$- постоянная скорости вращения Земли,$\approx 15$°/час (360° в звездные сутки ),
• $\phi$это широта,
• $\alpha$- курс самолета (или базовой оси).

С двумя линейными уравнениями для двух неизвестных определение широты и направления не вызывает затруднений, единственным условием является то, что Rx и Ry известны. Вот в чем загвоздка. Гирокомпасирование на самом деле сложно и медленно.

Фактическое применение принципа является сложной задачей

Хотя принцип прост, измерить Rx и Ry сложно. Причина в том,$\omega$мала (0,004°/с), измерения необходимо повторять в течение значительного времени. На экваторе достаточно пяти минут, но на 45° широты двадцать минут — обычное дело.

Пилот может указать текущую приблизительную широту, чтобы процесс сходился быстрее.

^{Boeing 737, страница FMS, используемая для ввода начальной оценки местоположения для ускорения гирокомпасирования.}

Слияние датчиков, выравнивание в движении и потеря выравнивания

Выравнивание может быть облегчено, а последующие меры могут быть улучшены путем связывания дополнительных источников данных и объединения источников после фильтрации чрезмерного расхождения, это известно как слияние датчиков и гибридизация IRS/GNSS. Эти источники включают GNSS (положение и доплеровская скорость), магнитометры, данные о воздухе, даже доплеровские скорости известных целей, но это больше для подводных роверов, чтобы заменить GNSS.

Различные источники позволяют поддерживать естественный кумулятивный дрейф, связанный с процессом интегрирования, который является центральным для инерциального позиционирования, ниже некоторого порога, например порогов, установленных требуемыми процедурами навигационных характеристик.

В некоторых условиях инерциальная система может даже перенастраиваться в полете по положению GNSS и доплеровской скорости (например , Northrop Grumman LCR-110 ). Такое выравнивание в полете должно стать обычным явлением в будущем.

Уровень и ориентация на север сохраняются после выравнивания путем корректировки ориентации и компенсации обнаруженных изменений ориентации дрона. Таким образом, звездное выравнивание не сохраняется.

Большинство инерциальных систем не могут быть перенастроены в движении, но они могут быть повторно выровнены, и хотя северное направление и положение не могут быть восстановлены, система по-прежнему способна обеспечить ориентацию самолета (режим ATT).

^{Два переключателя IRS в нормальном (навигационном) положении ( источник )}