Почему согласование IRS занимает так много времени?

GPS быстрее? и да и нет

Работа GPS быстрее зависит от того, какой случай мы хотим рассмотреть: холодный запуск, перезагрузка или эксплуатация.

• Холодный старт, как, например, при первом использовании прибора: Инерциальные системы отсчета (IRS) быстрее, чем GPS, обеспечивают первое определение местоположения ( TTFF ): Менее 10 минут (выравнивание) по сравнению с 12,5 минутами для GPS, время до получить альманах созвездия с любого спутника, сообщение которого действительно в течение 90 дней.

• Теплый старт, как из одного дня в другой: GPS работает быстрее, при предыдущем использовании он сохранял альманах. Теперь он должен получить эфемериды для каждого спутника в поле зрения, 12-секундная передача данных, повторяющаяся каждые 30 с (чередующаяся с данными альманаха) и действительная в течение 2 часов. Если перезапуск происходит в течение 2 часов, а эфемериды для видимых спутников кэшируются, то приемнику требуется всего несколько секунд, чтобы зафиксировать поток спутниковых данных и оценить влияние ионосферы на скорость радиосигнала. Инициализация IRS занимает столько же времени, сколько и холодный пуск.

• Эксплуатационное использование: IRS быстрее, он может предоставлять позицию немедленно и непрерывно при правильном выравнивании, в то время как GPS может предоставлять только 10 или 100 обновлений в секунду. Этот параметр важен для быстрых самолетов, за 0,1 с авиалайнер на М.82 совершает круиз более чем на 200 м (если бы вы использовали автомобильную навигационную систему, которую вы упомянули в вопросе, с частотой обновления 1 с, было бы 2 км между последовательными исправлениями).

Таким образом, для повседневных операций IRS определенно медленнее инициализируется, как вы заметили.

GPS и IRS не используются одинаково

Мы можем задаться вопросом, почему эти медленные IRS до сих пор можно увидеть в отсеке электроники самолета. Во-первых, они имеют два существенных технических преимущества:

• Они быстрее доставляют информацию, когда выровнены. Эта возможность имеет первостепенное значение для операций, основанных на производительности.

• Они не полагаются ни на доступность внешней инфраструктуры для работы (спутники, станции мониторинга/управления, наложения SBAS , такие как WAAS, EGNOS, SDCM...), ни на радиопередачу. До 2000 г. GPS подлежала выборочной доступности по решению генералов США и все еще могла страдать от преднамеренных помех .

Но, несмотря на эти преимущества, IRS преследует иные цели, чем GPS. GPS используется для определения положения, доплеровской скорости относительно земли и привязки ко времени. Другая информация, такая как курс, ориентация, линейное и угловое ускорения, вектор ветра (с помощью блока данных о воздухе), угол сноса, все важные данные для большого автоматизированного самолета должны быть получены из других источников, первым из которых является IRS.

Например, быстрое определение параметра пространственного положения имеет решающее значение для защиты режима полета и управления демпфером рыскания. Это можно сделать только через налоговую. Когда самолет Airbus теряет свои 3 IRS , он теряет большую часть защиты от управления полетом по проводам, а управление рулем направления возвращается к механической связи, поэтому пилот может контролировать рыскание с помощью педалей, чувствовать аэродинамические усилия на руле направления и поддерживать их в допустимых пределах. пределы, теперь, когда определение скорости рыскания было потеряно.

IRS фактически предоставляет первичные данные различным устройствам, таким как автоматическое торможение (противоюзовое), индикатор вертикальной скорости или компьютер управления тягой.

Это объясняет, почему IRS не собираются удалять из отсека электроники (это могут быть INS, IRS, IMU или сегодня в сочетании с блоками данных о воздухе, такими как ADIRU ). С другой стороны, поскольку они подвержены постоянному дрейфу, их положение может периодически обновляться по положению GPS (или, что наиболее вероятно, по взвешенному сочетанию различных источников ).

Позвольте мне подробно описать принцип IRS и GPS и то, как они запускаются.

Время получить исправление от IRS

IRS состоит из 3-х пар акселерометр-гирометр, взаимно перпендикулярных. Гирометры количественно определяют угловые движения, такие как рыскание или крен, и устанавливают систему отсчета для акселерометров. Акселерометры выполняют линейные движения для обновления положения дрона.

^{Общий принцип бесплатформенной ИПС, источник}

Во время выравнивания акселерометры определяют сумму ускорения свободного падения и центростремительного ускорения (из-за тангенциальной скорости от вращения Земли, пропорциональной широте), чтобы определить горизонтальную плоскость (от поля силы тяжести), истинный север (от оси вращения Земли) и широту. (от центростремительного ускорения). Но есть вызов:

• Для определения оси полюса необходимо знать местное центростремительное ускорение, которое, в свою очередь, зависит от широты, и

• определение того, какая часть местного ускорения обусловлена ​​широтой (а не силой тяжести), требует знания направления оси вращения Земли (истинный север). Это решается численно с использованием последовательных приближений обоих данных.

• Этот процесс является конвергентным, и точность как широты, так и направления на север увеличивается по мере того, как процесс растягивается во времени.

• Сходимость происходит медленно, и для достижения оперативной точности действительно требуется много времени, которое мы знаем.

Медлительность, вызванная вращением Земли, оказывает лишь незначительное влияние на датчики ускорения, а мы пока не нашли более практичных датчиков. Эффекты зависят от расстояния от оси вращения Земли, больше на экваторе, чем на полюсах, поэтому выравнивание также происходит быстрее на экваторе.

Точность пеленга на истинный север увеличивается со временем выравнивания:

^{Источник: Усовершенствованный метод выравнивания бесплатформенной инерциальной навигационной системы.}

Выравнивание требует, чтобы аппарат был неподвижен, любое беспорядочное движение снижает отношение сигнал/шум IRS, что замедляет этот процесс (посадка пассажиров, ветер, действующий на хвостовое оперение и т. д.).

Принцип GNSS: необходимо знать текущее положение спутников

Чтобы вычислить исправление, получатель должен знать:

• Позиции спутников.
• Время, за которое сигнал от каждого спутника достигает приемника.

...оба данные с астрономической точностью.

Чтобы вычислить положение, приемнику нужны орбитальные элементы, вычисленные на земле по измерениям станций управления и слежения, загруженные на спутники, которые действуют только как ретрансляторы для передачи этой информации вместе с привязкой ко времени от очень точных встроенных часов.

Затем приемник GNSS вычисляет текущее положение спутника на его орбите и определяет время, которое потребовалось для прохождения сигнала GPS в атмосфере, обеспечивая расстояние приемника до известной точки в пространстве. С 4 спутниками и методами трехмерной триангуляции можно определить положение приемника.

Параметры спутников транслируются с разной скоростью:

• Грубые параметры для всех спутников, также известные как альманахи, действительные в течение 90 дней, передаются всеми спутниками каждые 12,5 минут (поэтому может потребоваться до 12,5 минут новому приемнику для доставки первого исправления).

• Дополнительные точные параметры для данного спутника, также называемые эфемеридами (которые включают определенные поправки), действительные только в течение двух часов, передаются только этим спутником каждые 30 секунд, поэтому приемнику с действительным альманахом может потребоваться до 30 секунд, чтобы предоставить данные. точное исправление после перезапуска (если кэшированные эфемериды для видимых в данный момент спутников слишком старые), даже если грубое исправление может быть доставлено почти мгновенно.

Также следует отметить, что GPS действительно сообщает вам только то, где вы «были», а не то, где вы находитесь. Импульсы GPS принимаются только с ошеломляющей частотой 1 Гц. Таким образом, раз в секунду вы получаете «исправление положения» о том, где вы были одну секунду назад, плюс некоторый точный расчет в таких приложениях, как Google Maps и тому подобное, которые пытаются угадать, куда вы идете между импульсами. INS, с другой стороны, вычисляет почти непрерывно, и многие авиационные варианты, такие как Honeywell 764, вычисляют положение примерно с частотой 240 Гц.

В зависимости от подключенного интерфейса передачи данных вы не сможете так быстро определять положение (40 Гц), но все же это намного быстрее, чем GPS. Кроме того, ИНС предоставляет самолету информацию, которая едва ли не важнее положения, а именно положение, скорость и ускорение. Это абсолютно необходимо для таких систем, как автопилот, проекционный дисплей, радар и т. д. Кроме того, с помощью фильтра Калмана с обратной связью вы можете гарантировать, что рассчитанные ошибки возвращаются в систему, чтобы выдавать чрезвычайно точное местоположение в течение длительного периода времени. (~0,1 морской мили/га дрейф).

GPS бесполезен для автоматической посадки, автонавигации и автономных заходов на посадку, которые имеют большое значение для военных приложений. Упомянутый выше Honeywell представляет собой EGI (расширяет возможности GPS/INS). Он принимает импульсы GPS и взламывает позицию INS каждую секунду. Это действительно лучшее из обоих миров. Когда GPS очень точен (на основе положения созвездия над головой), вы не можете превзойти положение GPS. Но когда GPS неисправен или отклонен, INS отклонит взломы и выполнит свою работу.

GPS удобен, но я не думаю, что он когда-нибудь заменит старую добрую INS.