Інерціальна система – це один із найдавніших для людства способів навігації. Вона не є найточнішою чи найнадійнішою, але використовується й сьогодні для наведення ракет та безпілотників, навігації підводних човнів та космічних кораблів.
Інерціальна навігація
Щоб зрозуміти, як працює система наведення по інерції, потрібно повернутися кілька тисяч років назад…
В античні часи люди вже відмінно володіли мореплаванням, але майже ніхто не виходив у відкрите море. Використовувалося так зване каботажне плавання, тобто – уздовж берега.
Щоб завжди мати орієнтири та розуміти, де знаходиться корабель. Це зручно та безпечно, в морі важко заблукати. А вночі можна пришвартуватися до берега, щоб відпочити та поповнити запаси.
Але що робити, якщо все-таки потрібно вийти у відкрите море? Як капітан буде розуміти, де знаходиться та куди йде?
З напрямком все просто, компас ще не винайдено, але є сонце та зірки, тому слідкувати за напрямком можна. В чому ж тоді проблема?
Ми знаємо напрямок, тобто можемо намалювати лінію на карті, але не знаємо, де саме на цій лінії ми знаходимося. Для цього треба знати, яке відстань пройшов корабель. Як це вияснити?
Досить лише часу та швидкості, помноживши одне на інше, ми отримаємо відстань. Час можна порахувати за допомогою пісочних годин, а швидкість корабля за допомогою такого простого пристрою, як лаг (це вервеця з вузликами та вантажем).
Маємо напрямок, час та швидкість. Ми завжди можемо визначити, де ми знаходимося.
Це і є інерціальна система навігації. З принципом роботи вона залишається такою ж до цього часу.
Може здатися, що з появою супутникової навігації вже нічого не потрібно. Ми завжди знаємо, де ми, якщо є зв’язок із супутником. Але для підводних човнів, крилатих та балістичних ракет, а тим більше для космічних апаратів, інерціальна система все одно залишається основною.
Інерціальна система наведення
Суть інерціальної системи наведення полягає в тому, що для визначення положення, швидкості та прискорення не використовуються зовнішні орієнтири.
Простою мовою, інерціальну систему наведення можна описати так:
Визначте, куди ви хочете потрапити, наприклад, це може бути сусідня кімната. Потім зачиніть очі та йдіть у тому напрямку. Рахуйте кроки та намагайтеся не збитися з курсу. Ви використовуєте інерціальну систему наведення, тобто орієнтуєтеся самі по собі.
Ця система добре тим, що не потребує зовнішніх вказівок. Проте є один значний недолік ініційної системи – чим більша відстань, тим більша буде помилка. З прикладу вище зрозуміло, що чим далі йти з зачиненими очима, тим більше шансів збитися зі шляху. Але якщо час від часу відкривати очі, то можна коригувати напрямок руху.
Це вже буде називатися комбінованою системою.
Інерціальна система наведення ракет
Найчастіше про інерціальну систему можна почути при описі системи наведення ракет. Але це не тільки військовим так вона подобається. Цей принцип може використовуватися і для навігації цивільних суден та літаків. Звичайно, в поєднанні з іншими методами навігації.
Справа в тому, що цивільний транспорт діє в інших умовах, принаймні його не варто намагатися позбавити орієнтації, блокуючи сигнали GPS. У таких умовах інерціальні системи не є основними.
Але, наприклад, для крилатих ракет ймовірність того, що їх навігаційна система опиниться без зовнішніх орієнтирів, більш ймовірна. Те ж саме стосується міжконтинентальних балістичних ракет, але з іншої причини.
Ці ракети на середньому відрізку польоту опиняються в космосі, де допомогти може лише метод астрокорекції (орієнтація за зірками), і інерціальна система знову стає основною.
Як працює інерціальна система
Для визначення свого положення в просторі інерціальна система використовує такі прилади:
акселерометри – для визначення прискорення та швидкості (швидкість можна отримати інтегруючи функцію прискорення)
гіроскопи – для визначення напрямку руху. Точніше, для визначення відхилення від заданих осей.
Комплект цих двох пристроїв дозволяє визначати кутові координати, швидкість, прискорення, тобто все те, що потрібно для відповіді на питання: “де я знаходжуся”, “куди рухаюсь”, “з якою швидкістю та прискоренням”.
Все це виглядає досить просто, але насправді є дуже складною справою з інженерної точки зору.
Інерціальна система має багато переваг та всього один недолік.
Переваги:
автономність – не потрібні жодні зовнішні дані
помехозахищеність – оскільки дані ззовні не надходять, то і перешкод та помилок у цих даних не буде
автоматизація – оскільки система працює постійно, то її просто автоматизувати та керувати рухом за її допомогою
Недолік, він лише один, але дуже серйозний:
інерціальна система накопичує помилку. Її точність не є абсолютною, а отже зі зростанням відстані буде зростати й помилка.
Історичний приклад. Перша в світі балістична ракета Фау-2 мала достатню точність, щоб потрапити у місто Лондон. Не в дім в місті, не в квартал, а кудись у місто. Її точність з початку була в межах +/- 20 км, але з часом німці змогли підвести її до “плюс, мінус 10 кілометрів”. При цьому дальність її польоту становила лише 250 км.
Сучасні системи використовують дуже точне обладнання – лазерні гіроскопи та оптичні акселерометри. Але навіть якщо система має точність в межах 0,01%, це означає, що на великих відстанях помилка все одно буде значною.
А відстані стають все більшими. Для підводного човна – це цілий океан, а для космічного апарата відстані взагалі міжпланетні.
І, тим не менше, інерціальні системи наведення та навігації широко використовуються та постійно удосконалюються. Дивно, що акселерометр та гіроскоп сьогодні надають практично ті ж дані, що компас та вервеця з вантажем сотні років тому. Принципи, відкриті так багато років тому, в часи парусів та весел, все ще актуальні для людей, які планують польоти на інші планети.