ГЛАВА 1. ПЛАТФОРМЕННЫЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Инерциальная навигационная система (ИНС), устанавливаемая на движущемся вблизи поверхности Земли объекте, предназначена для автоматического определения местоположения (широты и долготы), скорости V относительно Земли и угловой ориентации (курс, тангаж, крен) объекта. В зависимости от того, входит или не входит в состав ИНС гиростабилизированная платформа (ГСП), все системы инерциальной навигации делятся на платформенные (ПИНС) и бесплатформенные (БИНС). Несмотря на существенные схемные различия теория этих двух типов ИНС в общем одинакова. Прежде чем перейти к этой теории, рассмотрим принцип действия ИНС, предназначенной для объекта, движущегося по поверхности Земли.

1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Считаем, что все элементы платформенной ИНС работают идеально точно, а Земля является идеальным шаром. В дальнейшем рассматривается только северный канал ИНС. Для простоты будем считать, что ИНС представляет собой несущую линейный акселерометр гироплатформу, ось которой постоянно направлена на север (рис. 1.1). Кориолисово ускорение, порожденное вращением Земли и движением объекта, исключено, т. е. поступающий акселерометра сигнал может зависеть только от ускорения объекта относительно Земли и от проекции вектора ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра. В Дальнейшем полагаем, что вектор перпендикулярен вектору

В состав ИНС входит интегратор, производящий интегрирование сигнала акселерометра (первый интегратор). С соответствующим усилением выходной сигнал этого интегратора подается на моментный датчик гироскопа и вызывает прецессию платформы относительно горизонтальной оси перпендикулярной скорости движения объекта.

Идея, положенная в основу ИНС, заключается в следующем. Пусть в начальный момент времени платформа

Рис. 1.1. Положения ГСП на земном шаре при идеальной работе ИНС: 1 - ГСП; 2 - акселерометр; 3 — ось чувствительности акселерометра

горизонтальна, а объект неподвижен. Считаем, что, начиная с этого момента, объект движется вдоль меридиана. Чтобы для любого выходной сигнал интегратора представлял скорость движения объекта необходимо исключить влияние вектора ускорения силы тяжести на показания акселерометра. Этого можно достигнуть, если создать скорость прецессии платформы вокруг оси равную создаваемой движением объекта угловой скорости касательной к земной поверхности в точке текущего местоположения объекта. Тогда плоскость платформы все время будет совпадать с плоскостью местного горизонта, так что в любой момент времени проекция вектора на ось чувствительности акселерометра будет равна нулю. Описанная ситуация Соответствует идеальному режиму работы ИНС. Характеризующие этот режим переменные отмечаем нижним индексом 0.

Принимая прецессионную теорию, будем на структурной схеме представлять гироплатформу интегрирующим звеном Входной сигнал соуо этого звена — это взятый с обратным знаком сигнал образуемый делением выработанной ИНС скорости (сигнал на выходе первого интегратора) на радиус Земли Необходимость перемены знака обусловлена тем, что в качестве направления положительного отсчета угловой скорости прецессии гироплатформы выбрано направление, противоположное положительной скорости изменения широты объекта.

Выходной сигнал представляющий собой угол поворота гироплатформы относительно инерциального пространства, равен изменению широты объекта по отношению к местоположению, соответствующему моменту Знание этого выходного сигнала решило бы задачу навигации, но он недоступен измерению. Чтобы измерить сигнал вводится второй интегратор, с помощью которого производится моделирование гироплатформы. С точностью до знака входные и выходные сигналы гироплатформы и второго интегратора одинаковы.

Учитывая, что интеграторы представляются звеном можно структурную схему идеального режима работы ИНС изобразить, как показано на рис. 1.2. Сигналы на выходе первого и второго интеграторов есть навигационные параметры, вырабатываемые ИНС. Представленная на рис. 1.2 структурная схема имеет вид разомкнутой цепи, откуда можно заключить, что в режиме идеальной работы обратная связь в ИНС отсутствует.

Рис. 1.2. Структурная схема идеального режима работы ИНС: 1 — первый интегратор; 2 — гироплатформа; 3 — второй интегратор; - выходной сигнал акселерометра; С — компенсация кориолисова ускорения; радиус Земли; приращение широты объекта от местоположения, соответствующего моменту

Рис. 1.3. Структурная схема ошибок ИНС: 1 - интегратор; 2 — гироплатформа; 3 — скорость дрейфа гироплатформы

Нарушение режима идеальной работы ИНС (например, дрейфом шроплатформы) приводит к возникновению в структурной схеме обратной связи. Действительно, это нарушение обусловит отклонение угла поворота платформы от идеального значения как следствие этого, отклонение платформы от местной вертикали. При этом возникает проекция вектора ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра, что на структурной схеме отображается появлением связи от замыкающей систему (рис. 1.3) К

Следует подчеркнуть, что замкнутая структурная схема получается лишь в отношении ошибок ИНС, т. е. в отношении отклонений переменных от их значений в идеальном режиме работы ИНС.

Идея, лежащая в основе ИНС, и только что изложенное позволяют заключить, что всякий раз, когда на показания ИНС влияет ускорение силы тяжести это влияние обусловливает ошибку ИНС. Однако не следует делать вывода, что вектор ускорения силы тяжести оказывает вредное влияние на функционирование ИНС. Напротив, как это будет показано далее (разд. 1.4), в алгоритме ИНС вектор играет чрезвычайно полезную роль, ибо только благодаря этому вектору ошибки ИНС остаются ограниченными.

Рассмотренная ИНС в любой момент времени дает информацию о скорости V объекта относительно Земли, а положением гироплатформы реализует местную вертикаль, что позволяет измерить угол тангажа объекта. Другие каналы ИНС обеспечивают возможность измерения курса и крена объекта. Что касается местоположения объекта на земной поверхности (широта и долгота), то оно может быть определено различными способами по данным о

скорости V объекта и о геометрической форме Земли. Как уже отмечалось, в рассмотренной здесь ИНС широта определяется с помощью второго интегратора (см. рис. 1.2).