Упоредни преглед прецизности навигационих система, у практичној примени.|мини Инерцијални навигациони систем (ИНС), намењен је за мерење параметара навигације објекта у простору, са коришћењем рачунара и сензора. Промене „вектора стања“ објекта у простору, детектују се са мерењем његовог транслаторног кретања (акцелерометрима) и ротације (жироскопима). ИНС континуално преузима пристигле сигнале из сензора, на основу њих рачуна параметре навигације и упоређује добијене резултате, у односу на почетно стање мировања објекта, или на неко ново узето референтно стање. На тај начин континуално одређује оријентацију и брзину објекта (правац и брзину кретања), у реалном времену. Параметре кретања, слободног тела у простору, одређује без потребе за сталним референтним поређењем, у односу на сопљно окружење. Систем функционише, као што се објекат креће, тако што мери кинематске параметре за шест степени слободе, три транслације (дуж три осе) и три ротације (око њих). Користи се за навигацију на покретним објектима, као што су бродови, авиони, подморнице, вођене ракете и свемирске летелице.
Концепт инерцијалног навигационог принципа заснива се на мерењу убрзања у транслаторном кретању дуж оса и угаоних брзина, ротације око оса. На основу познате масе и измерене силе инерције рачунар одређује убрзање и на основу силе прецесије угаону брзину. Велики недостатак ИНС су одступања у мерењу, са расположивим сензорима. У пракси се то превазилази са комбинацијом ИНС и других навигациох система. На пример, у комбинацији са системом GPS, добијају се апсолутни подаци положаја сваке секунде, док сам ИНС интерполира средње вредности. Са употребом Калмановог филтера, у одговарајућој петљи регулисања грешке мерења ИНС-а, своде се на минимум.
За инерцијални навигациони систем, везани су појмови: инерцијална референтна платформа, инерцијални инструмент, инерцијална мерна јединица и многе друге варијације назива.
Код инерцијалног навигационог система, сензори региструју сигнале од транслације дуж све три осе и од ротације, око њих.|мини
Општи преглед
Инерцијални навигациони систем поседује рачунар, платформу и модул са сензорима: акцелерометрима, жироскопима или другим уређајима за детекцију кретања. ИНС одреди своју почетну позицију и брзину, из неког другог извора (измери је човек-оператор, GPS са сателитским пријемником, итд), а затим израчунава своју позицију и ажурира брзину интегрисањем информација добијених од сензора о кретању. Предност система је у томе што не захтева спољашње референтне објекте, како би се утврдила сопствена позиција, оријентација и брзина, са релативним поређењем. Садржи пакет сензора, који у комбинацији дају информације за израчунавање инерцилних сила у три линеарне димензије (дуж три осе) и три угла ротације око тих оса. Специфичност мерења је у односу на меру убрзања из слободног пада. У резултату мерења удузима се учешће гравитационог убрзања, тако да остаје само релативно покретног објекта.
Поред комбинације акцелерометара у линеарним правцима и жироскопа за сигнале угаоног кретања око оса, систем поседује и процесорску плочу, меморију и сензор температуре. Обезбеђен је дигитални интерфејс, за конверзију јединица и примену модула сензора калибрације.
Пошто ИНС само повремено користи споњно референтно поређење, исти није имун на грешке. Без обзира што је незаобилазан у употреби за навигацију са бродовима, авионима, свемирским летелицама и вођеним ракетама.
Жироскопи мере угаону брзину система у односу на инерцијални референтни оквир. Ако се користити оријентација система у односу на инерцијални референтни оквир, као почетно стање и континуално интегрисање угаона брзина, тренутна оријентација система позната је у сваком тренутку.
Брзина се мери преко транслаторног убрзања система у односу инерцијални референтни оквир, али само у правцима оса координатног система, у којима само и могу бити мерени у односу на покретни систем (јер су акцелерометри фиксирани у систему и ротирају се заједно, али то не утиче на њихово мерење).
Поред наведених недостатака ИНС има и предности, пример су код претовара бродова у лукама и код подморница у неким случајевима. Бродови повремено пролазе у лукама поред препрека, као што су металне дизалице и тада је GPS сигнал нејасан. У тим ситуацијама ИНС је поузданији. Такође на подморницима коришћени је додатни GPS сонар. При потапању његове антене у воду губи се сигнал.
Историја Инерцијални навигациони системи су првобитно били развијени за навигацију ракета. Амерички пионир ракетне технике Роберт Годард (), експериментисао је са елементарним жироскопским системима. Његови системи, били су од великог интереса за немачког конструктора Вернера фон Брауна, пред Други светски рат. Систем је ушао у ширу употребу са појавом летелица, вођених ракета, као и комерцијалних авиона.
Почетком Другог светског рата, на ракети V-2 примењена је варијанта система са комбинацијом два жироскопа и акцелерометра за бочно убрзање са једноставним аналогним рачунаром за подешавање азимута летелице у лету. Аналогни сигнали из рачунара, коришћени су за померање четири спољна крмила на перајима репа, за управљање са летом. Касније је технологија инерцијалних сензора усавршена у еминентним институцијама, стварани су први инерцијални навигациони системи. Развијена технологија инерцијалних навигационих система, омогућила је реализацији велики програма свемирског летења, као што су програм Аполо.
До појаве -{MEMS}- технологије, инерцијални сензори састојали су се од прецизних механичких жироскопа и акцелерометара. Због своје високе цене, инерцијална технологија за детекцију, била је резервисана за врхунске ваздухопловне апликације. Како је технологија инерцијалних сензора -{MEMS}- током година сазрела, са ниским фиксним ценама чипова, постала је доступна као алтернатива старијим механичким инерцијалним сензорима. Без обзира што нови -{MEMS}- сензори дају ниже укупне перформансе, у односу на своје механичке алтернативе, они имају предност у драстичном смањењу запремине, трошкова и у захтевима за интеграцију.
По завршетку рата Фон Браун, прешао је Американцима. Пренео је око 500 својих најбољих пројеката ракета. Научници су, заједно са пројектима и прототиповима, прешли у Америку. Стигли су у Тексас 1945. године, у оквиру операције „спајалица“, а затим су се преселили у истраживачки центар у Алабами, 1950. године, где су радили на развоју и истраживању америчких војних програма ракетне технике.
У раним педесетим годинама, прошлог века америчка влада желела је да се ослободи зависности од немачких научника, у домену војне технологије. Међу областима које су Американци самостално развијали била је вођена ракета. Тада је донета одлука за самосталан развој резервног навигационог система „атлас“, за нову интерконтиненталну балистичку ракету. Навигациони систем „атлас“, требало је да буде комбинација аутономног навигационог и командног система. То је био почетак филозофске полемике, која у неким областима, остаје нерешена. Коначно је превагнула концепција балистичке ракете са сопственим навигационим системом, из разумљивих технолошких разлога.
У лето 1952. године, започето је интензивно истраживање принципа навигације, засновано на рачунарским принципима и резултатима. Започет је развој алгебарског програмског језика (-{MAC}-), за рачунар IBM 650, који је завршен и постао оперативан у рано пролеће 1958. године. (-{MAC}-) је постао радни „коњ“ лабораторије. (-{MAC}-) је веома читљив језик, са три линије формата, векторском матрицом и са индексираним ознакама. Данашњи језик спејс-шатла, директан је огранак/потомак од (-{MAC}-).
Почетни навигациони систем „делта“, процењује разлику положаја објекта од референтне трајекторије. Брзине које се добијају прорачуном, коригују се са циљем да се разлика тренутног положаја и референтне трајекторије постепено помера према нули. Овај математички приступ у суштини је поуздан, али није прошао комплетан принцип због недовољне прецизности инерцијалног вођења и због недостатака тадашње аналогне рачунарске технологије. Проблеми, са којима се суочавао „делта“ систем, превазиђени су са увођењем „-{Q}- система“, првенствено примењеним за балистичке ракете. Новина је да „-{Q}- систем“ принуди усмеравање ракете, сагласно једначинама кретања, изражених преко матрице -{Q}-. Матрице -{Q}- представљају парцијалне изводе вектора стања по брзини. Кључна функција оваквог приступа омогућила је примену извода компоненти вектора стања као податак за оформљење улаза у аутопилот, за управљање. „-{Q}- систем“ је представљен на првом техничком симпозијуму о балистичким ракетама, одржаном у Лос Анђелесу 21. јуна 1956. године. Деривације овог принципа, користе се и за данашње ракете.
Човекова оријентација у свемиру У фебруару 1961. године, НАСА је са подуговорачима склопила уговоре за идејни пројекат и проучавања концепције за навигациони систем Аполоа. Генерал моторс групација, добила је укупни уговор за пројектовање и производњу система за вођење и навигациони систем за „Аполо“, за командни и лунарни модул.
За Спејс шатл, отворена је петља (без повратне информације) систем се користи да води шатл од лансирања до раздвајања од чврсте везе са ракетним носачем. Након одвајања, примарни систем вођења шатла добио је ознаку -{PEG4}-. Он се заснива на „Q систему“ и поседује коректорне атрибуте оригиналног „делта система“. Навигациони систем шатла је претрпио велики број измена и модификација, за последњих 30 година. Међутим, ипак данашњи навигациони систем за вођење шатла има сасвим мале разлике од почетног решења. У оквиру система навигације објеката са људском посадом, постоји интерфејс са посадом, потребан за навигациони систем. У томе контексту, ригорозна је селекција астронаута за коришћење система, много нових тимова се формирају да се обучавају за употребу система навигације, а на крају изаберу се малобројни, само најспособнији.
Основни принцип Полазна тачка је детекција убрзања и ротације, помоћу инерцијалних сензора. Убрзање тела у простору, одређеног интензитета и правца, познато је преко сигнала из сензора. Узимају се у одређеним тренуцима, по „корацима“, па се у томе процесу и интегришу током времена. Резултати интеграције је брзина, промена положаја s(t) и угаона позиција тела. Промена пређењног пута (дужна позиција) s(t), добија се после друге интеграције сигнала из акцелерометра (прва даје брзину). Принцип је заснован на Њутновом закону механике, и то:
Прорачуни укупног убрзања летелице (укључујући и гравитацију земљине теже) могу бити изведени на директан начин.
Са познатим почетним условима, почетна брзина и полазни положај летелице (или било кога другог објекта), следи интеграција током времена, између два тренутка предаје података сензора.
Исто важи и за угаоне брзине, које се могу конвертовати путем утврђивања угаоне прецесије сензора (жироскопа), са једноставном интеграцијом током времена у угао нагиба у инерцијалним простору. ИНС даје укупно симултано мерење шест променљивих, у три међусобно ортогонална правца у простору. Они се односе, на три транслаторна степена слободе са три убрзања и три ротације са три угаоне брзине.
У последњој једначини је положај летелице, a вектор брзине у односу на инерцијални референтни оквир. Вектор убрзања летелице, дефинисан је као последа разлике између потиска и отпора летелице. Вектор укупног убрзања представља збир и .
Једноставан алгоритам прорачуна положаја и брзине летелице, заснива се на једначинама разлика првог реда, које имају облик: