Инерциальная навигация_Лекции_ПС

1.

ООО «Интеграл»
Навигационные решения для любых задач
Инерциальная навигация
Inertial navigation
Пазычев Дмитрий Борисович
старший преподаватель МГТУ им. Н. Э. Баумана,
кафедра ИУ-11
главный конструктор ООО «Интеграл»
[email protected]
+7-903-205-00-45
1

2.

Навигация в древние времена
2

3.

Навигация в современное время
3

4.

Что такое навигация?
4

5.

Системы навигации
5
Системы навигации в
помещении
Системы навигации на
улице
(Indoor navigation systems)
(Outdoor navigation systems)

6.

Географические координаты
Geographical coordinates
6
Широта (Latitude) = [-90°…+90°]
Долгота (Longitude) = [-180°…+180°]
Высота (Altitude, Height) = [-500м…+40000 м]

7.

Ориентация объекта
Attitude and Heading
7
Attitude and Heading Reference System = AHRS
Roll [-180°…+180°]
Pitch [-90°…+90°]
Heading [0°…+360°]

8.

Системы навигации на улице
(Outdoor navigation systems)
Спутниковые навигационные
системы
Global Navigation Satellite
Systems (GNSS)
8

9.

Системы навигации на улице
(Outdoor navigation systems)
Рассчитывают данные на основании
сигналов от спутников
Рассчитывают ориентацию объекта
(специальные версии приемников)
НЕ накапливают ошибку расчета в
процессе работы, но теряют все
решение при потере спутников
Спутниковые навигационные
системы
Global Navigation Satellite
Systems (GNSS)
9

10.

10

11.

11
Способы борьбы с СНС
сигналом
GNSS jamming
GNSS spoofing

12.

Способы борьбы с СНС
сигналом
12
Время: 2011 год
БПЛА: Lockheed Martin
RQ-170 Sentinel
(Часовой)
Америка,
технология Stealth
Место: Иран

13.

Способы борьбы с СНС
сигналом
GNSS nulling
13

14.

Системы навигации на улице
(Outdoor navigation systems)
Инерциальные
навигационные системы
Inertial navigation systems
(INS)
14
Рассчитывают данные на
основании сигналов со
специальных датчиков,
расположенных на объекте
Рассчитывают ориентацию
объекта
Накапливают ошибку
расчета в процессе
работы

15.

Системы навигации на улице
(Outdoor navigation systems)
Визуальные навигационные
системы
Computer Vision (CV)
15

16.

Системы навигации на улице
(Outdoor navigation systems)
Рассчитывают данные на
основании сигналов с
камер и лидаров
Рассчитывают
относительную
ориентацию объекта
Требуют серьезных
вычислительных
мощностей
Визуальные навигационные
системы
Computer Vision (CV)
16

17.

Системы навигации на улице
(Outdoor navigation systems)
Рассчитывают данные на основании
сигналов с астрономических визиров,
наблюдающих свечение звезд
Рассчитывают ориентацию объекта
Обладают большими габаритами и
массой
Требуют наблюдения звезд
17
Астрономические
навигационные системы
Celestial navigation system
(CNS)

18.

Системы навигации на улице
(Outdoor navigation systems)
Инерциальные
навигационные системы
Inertial navigation systems
(INS)
Рассчитывают данные на
основании сигналов от
спутников
Рассчитывают
ориентацию объекта
(специальные версии
приемников)
НЕ накапливают ошибку
расчета в процессе
работы, но теряют все
решение при потере
спутников
18
Спутниковые
навигационные системы
Визуальные навигационные
системы
Астрономические
навигационные системы
Global Navigation Satellite
Systems (GNSS)
Computer Vision (CV)
Celestial navigation system
(CNS)
Рассчитывают данные на
основании сигналов со
специальных датчиков,
расположенных на
объекте
Рассчитывают данные на
основании сигналов с
камер и лидаров
Рассчитывают
ориентацию объекта
Накапливают ошибку
расчета в процессе
работы
Рассчитывают
ориентацию объекта
Требуют серьезных
вычислительных
мощностей
Рассчитывают данные
на основании сигналов
с астрономических
визиров, наблюдающих
свечение звезд
Рассчитывают
ориентацию объекта
Обладают большими
габаритами и массой
Требуют наблюдения
звезд

19.

Инерциальные навигационные системы 19
(INS, Gimbal INS)
Бесплатформенные
ИНС
(Strapdowm INS =
SINS)
10% рынка
90% рынка
Платформенные
ИНС

20.

Классы систем навигации для
БПЛА
Грубые
Средняя точность
(Low Cost)
(Medium Accuracy)
• MEMS гироскоп
(1… 200 град/час)
• MEMS
акселерометр
(более 0.01
м/с/с)
• Ошибка
навигации 500 м/
5 мин
• ВОГ (Fiber Optic
Gyroscope = FOG)
гироскоп
(0.01…1 град/час)
• MEMS или
кварцевый (Quartz)
акселерометр
(0.0001… 0.01
м/с/с)
• Ошибка навигации
3,5 км / 1 час
20
Высокая точность
(High Performance)
• Лазерный (Ring Laser
Gyroscope = RLG)
гироскоп
(0.001…0.01 град/час)
• Кварцевый (Quartz)
акселерометр
(0.00001… 0.00001
м/с/с)
• Ошибка навигации
< 1,0 км / 1 час

21.

Классы систем навигации для
БПЛА
Ультравысокая точность
(Ultra High Performance)
• Поплавковый гироскоп
(0.0001 град/час и точнее)
• Кварцевый (Quartz) или
поплавковый акселерометр
(0.0000001 м/с/с и точнее)
• Ошибка навигации 50 - 100м / 1
час
21

22.

Классы систем навигации для
БПЛА
Грубые
(Low Cost)
Средняя точность
(Medium Accuracy)
22
Высокая точность
(High Performance)

23.

Классы систем навигации для
БПЛА
Ультра высокая точность
(Ultra high performance)
23

24.

Навигационные датчики
24
Датчик угловой
скорости
Акселерометр
Gyroscope
Accelerometer

25.

Датчик угловой скорости
Gyroscope
25

26.

Виды датчиков угловой скорости
Gyroscopes types
26

27.

Механический датчик угловой
скорости
Mechanical gyroscope
27

28.

Лазерный датчик угловой скорости
Ring laser gyroscope (RLG)
28

29.

Волоконно-оптический (ВОГ) датчик
угловой скорости
Fiber-optic gyroscope (FOG)
29

30.

Микроэлектромеханичеcкий датчик угловой скорости 30
Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) Gyroscope

31.

Акселерометр
Accelerometer
31

32.

Виды акселерометров
Accelerometers types
32

33.

Поплавковый акселерометр
Mechanical accelerometer
33

34.

Кварцевый акселерометр
Quartz accelerometer
34

35.

Микроэлектромеханичеcкий
акселерометр
Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) accelerometer
35

36.

Инерциальный измерительный
модуль
Inertial Measurement Unit
36

37.

Системы координат
Coordinate frames
37
Инерциальная система координат Земная система координат
Inertial frame
Earth’s fixed frame

38.

Системы координат
Coordinate frames
38
Географический трехгранник
Local level frame
V
R
E N ;
VE
U cos ;
R
VE
Up tg U cos .
R
N

39.

Системы координат
Coordinate frames
Полусвободная в азимуте
система координат
Wander frame
VE
tg
R
39

40.

Системы координат
Coordinate frames
40
Связанная с объектом система координат
Body frame
Процедура совмещения осей системы
с
осями
объекта
называется
юстировкой.

41.

Системы координат
Coordinate frames
Платформенная система координат
Platform frame
1
x
y Ф
Z
z PL ФY
Смоделированная
Система координат
ФZ
1
ФX
матрица
перехода
ФY x
ФX y
1 z LL
идеальная СК
41

42.

Системы координат
Coordinate frames
42
Связанная с осями датчиков система координат
Sensors frame
xx
ax
a
yx
y
a
z B zx
xy
yy
zy
xz a x
yz a y
zz az a
Body
измерения
Body
датчиков
xx
x
yx
y
z B zx
xy
xz x
yy
yz y
zy
zz z G
Процедура расчета коэффициентов
называется калибровкой.

43.

43

44.

Основное уравнение навигации