Бесплатформенные инерциальные навигационные системы

На протяжении многих десятилетий усилия инженеров, разрабатывавших традиционные ИНС, были направлены на уменьшение собственного ухода гироскопов, удерживающих гироплатформу в заданном положении. Непрерывное совершенствование конструкции, меры по уменьшению трения в осях кардановых подвесов и даже изобретение новых видов гироскопов (ядерных, с жидкостным ротором и др.) делали ИНС все дороже и сложнее, но не приводили к существенному повышению их точности.

В начале 60-х годов был изобретен принцип работы так называемых лазерных гироскопов, широкое внедрение которых (спустя 20-30 лет) позволило решить многие проблемы. «Лазерный гироскоп» − не корректное название, поскольку это устройство вовсе не является гироскопом, в нем нет быстровращающихся частей. Называется он так только потому, что предназначен для решения той же задачи, для которой предназначен гироскоп в традиционной ИНС, – определения направлений в пространстве (верх-низ, север-юг, восток-запад) независимо от углового положения ВС.

ИНС, основанные на использовании лазерных гироскопов, называют бесплатформенными инерциальными системами (БИНС), поскольку в них отсутствует гироплатформа, которую необходимо удерживать в требуемом положении. Акселерометры в таких системах жестко закреплены на самолете и направлены по его строительным осям (вперед, вправо, вверх).

Кольцевой лазерный гироскоп представляет собой сложный квантовый оптико-механический прибор, включающий в себя лазер, систему зеркал и управляющие электронные системы.

Оптический квантовый генератор или лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation − усиление света посредством вынужденного излучения), — это устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного излучения для создания когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. В отличие от обычного источника света, излучающего обычно целый спектр частот, лазер излучает на строго определенной частоте.

Лазерный гироскоп называется кольцевым, поскольку луч в нем, отражаясь от зеркал, проходит по замкнутому контуру в форме квадрата или треугольника (рис. 8.24).

Рис. 8.24. Лазерный гироскоп

По кольцевому контуру проходят два луча лазера в противоположных направлениях навстречу друг другу. Если вся эта система лазера и зеркал неподвижна в инерциальной системе отсчета, то частоты обоих лучей, воспринимаемые детектором, будут одинаковы. Но если эта система будет вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости траектории лучей, то измеряемые частоты лучей вследствие эффекта Доплера будут различаться, причем, тем сильнее, чем больше угловая скорость вращения. Таким образом, с помощью лазерного гироскопа можно измерить угловую скорость вращения. В БИНС используется три таких лазерных гироскопа, измеряющих угловые скорости вращения вокруг трех перпендикулярных осей (рис. 8.25).

 Рис. 8.25. Моноблок из трех взаимно перпендикулярных треугольных лазерных гироскопов

Поскольку в любой момент времени известна угловая скорость, то в любой момент можно рассчитать угол, на который повернулась система по сравнению с первоначальным положением. Ведь угловая скорость – производная (скорость изменения) угла поворота. Следовательно, сам угол можно определить путем интегрирования угловой скорости. Осуществляется как бы счисление угла поворота. Эту задачу непрерывно решает вычислитель БИНС.

Если в начальный момент времени было известно, как направлены строительные оси ВС и ориентированные по ним акселерометры по отношению к земной системе координат (к горизонтальной плоскости, к направлению на север), то по рассчитанным углам поворота можно определить их ориентацию в любой текущий момент времени. Остается только пересчитать измеренные ускорения в связанную с Землей и повернутую относительно ВС прямоугольную систему координат. Таким образом, как и в традиционных ИНС, оказываются известными значения ускорений по направлениям север-юг, восток-запад, верх-низ.

Отсутствие в БИНС гироплатформы, вращающихся гироскопов и связанных с ними проблем позволило сделать это устройство более компактным (рис. 8.26). Дальнейшее совершенствование техники и технологии сделали БИНС и более дешевыми, и более точными. Достижение еще более высокой точности лазерных гироскопов сдерживается пока явлением «захвата лучей», то есть взаимодействием встречных лучей, которое приводит к рассеиванию света.

Вполне вероятно, что стремительное развитие научно-технического прогресса приведет к внедрению новых систем, основанных на пока не используемых в авиации принципах. Например, уже разработаны компактные датчики ускорений и вращений, основанные на применении электрически заряженной жидкости с ферромагнитными свойствами (рис. 8.27).

Рис. 8.26. Отечественный лазерный гироскоп КМ-11-1А

(фактический диаметр около 1,3 см)

Рис. 8.27. Датчик ускорений и углов поворота по трем осям