Vysok kola Bsk Technick univerzita Ostrava Fakulta strojn

Vysoká škola Báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Inerciální navigační systém Jakub Jaroš Ostrava 2010/2011

Cíle prezentace • Seznámit studenty s problematikou navigačních zařízení od historicky nejzajímavějších řešení až po dnes používaná zařízení • Porovnat výhody a nevýhody dosavadních řešení • Poukázat na nedostatky a naznačit možný vývoj 2

Obsah prezentace 1) Historie navigačních zařízení • NDB, VOR, DME, GPS 2) Inerciální navigační systém • • Princip Použití 3) Vývoj a nedostatky 3

1) Historický vývoj Po probrání této kapitoly budete umět: – Popsat základní radionavigační majáky používané v našich zeměpisných šířkách – Ve zkratce popsat družicový systém – Srovnat základní výhody a nevýhody jednotlivých systémů Potřebný čas k probrání kapitoly: – 30 minut 4

NDB Nesměrovaný radiomaják – Jeden z nejstarších majáků – Snadná konstrukce – Všesměrová anténa – Frekvence 190 – 1750 k. Hz – Vysoký dosah – Velké atmosférické vlivy – Přesnost mezi 3 -6° 5

VOR VHF všesměrový radar – Vysílá dva signály pro určení časového posunu • Všesmerový, konstantní • Proměnlivý, rotující okolo majáku – Frekvence 108 – 117, 95 MHz – Dosah okolo 150 -200 nm ve vyšších výškách – Přesnost lepší než 1, 4° 6

7

DME Zařízení pro měření šikmé vzdálenosti – Přijímá dotaz z letadla a vysílá zpět odpověď – Systém v letadle vypočte patřičnou vzdálenost – Často v kombinaci s VORy – Frekvence 962 – 1213 MHz – Jednoduchá konstrukce, snadný provoz – Vysoká přesnost – 0, 1 nm 8

9

GPS Družicový poziční systém – Prozatím jediný systém (bude GALILEO & GLONASS) – Výpočet polohy na základě údajů ze 4 družic – Velmi přesný – desítky metrů – Pod kontrolou americké vlády => nespolehlivý – Velké množství zatěžujících chyb – matematické modelování 10

INS Inerciální navigační systém Vznik v 60. letech Jediný kompletně nezávislý systém (nepotřebuje vnější zařízení) Slušná přesnost systému – stovky metrů Jednoduchý základ navigace Dobrá možnost zpřesňování systému (tvorba integrovaných systémů) Princip výpočtu polohy „Dead Reckoning“ – postupně počítá polohu na základě znalosti směru a rychlosti pohybu letadla – Pro zvýšení přesnosti potřeba výkonných počítačů => roste cena – – – 11

Srovnání zařízení NDB VOR DME GPS INS počátek 1945+ 50. léta 70. léta 60. léta přesnost počet v Čr 3 -6° 3 < 1, 4° 9 ± 0, 1 NM 2, 12, 23 desítky m 6 -12 viditelných stovky m - výhody/nevýhody Velmi jednoduchá konstrukce Slušná přesnost a snadný provoz Velmi přesný a velmi jednoduchý Téměř absolutní přesnost, "nespolehlivost" Vysoká přesnost, nezávislost Pozn. : DME – 2 ks samostatné, 12 ks letištní, 9 ks kombinované • NDB – zřídka použit k vytyčení letové trati, nepřesné přiblížení • VOR – vedle virtuálních bodů jsou jimi stanoveny letové tratě; přiblížení • DME – prozatím většinou v kombinaci VOR/DME, NDB/DME, ILS/DME • GPS – jednoznačně nejpřesnější, rozšířené – použití nejenom v letectví • Nejlepší poměr cena/výkon u DME 12

Mapa radionavičačních zařízení v ČR 13

Shrnutí pojmů • NDB – Non Directional Beacon – Všesměrový radar k určení polohy, používaný přiblížení • VOR – Very High Frequency Omnidirectional Beacon – Všesměrový vysokofrekvenční radar, použitý především při tvorbě tratí a přiblížení • DME – Distance Measuring Equipment – Zařízení pro měření vzdálenosti; v kobinaci s VOR, ILS • GPS – Global Positioning System – Globální družicový poziční systém • INS – Inertial Navigation System – Nezávislý navigační systém 14

Kontrolní otázky 1 a) Proč je výhodné věnovat se nezávislým systémům? 1 b) Který z probraných radiomajáků je nejpřesnější? 1 c) Jakého dosahu jsme schopni dosáhnout u VORu? 1 d) Proč považujeme GPS za ne zcela spolehlivý? 15

2) Inerciální navigační systém Po probrání této kapitoly budete umět: – Popsat princip funkce INS – Určit základní stavební prvky systému – Rozlišit mezi základnámi konstrukčními typy – Popsat základní chyby Potřebný čas k probrání kapitoly: – 90 minut 16

INS Výhody • Hlavní výhoda = nezávislost na vnějších prostředcích • Kvalitní základ pro výkonnou navigaci • Snadné propojení s jinými systémy • Minimální zatížení pilota 17

INS Nevýhody • Potřeba výkonné výpočetní techniky • Chyba systému se s časem značně zvětšuje • Nutnost počátečního nastavení systému 18

INS Princip funkce • Měření zrychlení a úhlové rychlosti otáčení letadla • Součástí jsou akcelerometry a gyroskopy • Výkonná jednotka přičítá údaje o pohybu letadla k počátečnímu stavu • Systém obsahuje řadu korekčních mechanismů 19

INS Gyroskopy – Měří úhlovou rychlost otáčení (derivační setrvačníky) – Zákon precesního pohybu – změření rychlosti precese a výpočet rychlosti otáčení letadla – U starších pneumatický nebo elektrický pohon – Typy gyroskopů: • Mechanické – motorové setrvačníky v závěsu • Optické – především laserové, odstranění rotujících částí 20

INS Gyroskopy mechanické – Setrvačník vyžaduje zvláštní otočný závěs – Problémy se třením v ložiscích – Nižší přesnost z důvodu požadavků na dodržení otáček – Jednoduché a levné 21

INS Gyroskopy laserové – Vysoká přesnost, vyšší cena – Odstranění otočných částí a ložisek – laserové paprsky rotují proti sobě v komoře gyroskopu, v detektoru se vyhodnotí změna jejich frekvence – Vyhodnocení na základě interferenčního obrazce – Velmi vysoké nároky na precizní provedení – Rozlišovací schopnost bývá 0, 1°/sec (lze zlepšit vibračním korekčním motorem) 22

INS Laserový gyroskop 23

INS Akcelerometry – Na základě změřeného zrychlení se vypočte rychlost, respektive vzdálenost, kterou letadlo uletělo – Dvojitá integrace: – Typy akcelerometrů: • Mechanické – klasické s měřiči výchylek (natočení) • Piezoelektrické – měření napětí na deformovaném krystalu • Optické – princip je podobný laserovým setrvačníkům 24

INS Akcelerometry mechanické: Třecí akcelerometr FRA – Silově balanční akcelerometr se zpětnou vazbou 25

INS Konstrukční filosofie: 1. Systém se stabilizovanou základnou • • • Poměrně složitá konstrukce Velký počet otočných částí a ložisek Nutnost kardanového závěsu 2. Strapdown Systém • • • Potřeba výkonné výpočetní jednotky Absence pohyblivých částí Zvýšená přesnost, ale vyšší cena 26

INS se stabilizovanou základnou – Série gyroskopů a akcelerometrů (3+3) na společné základně – Základna je korekčními motory natáčena do většinou severojižního směru na základě údajů z gyroskopů – Eliminace přepočtu do zemské souřadné soustavy – Nepoužitelná ve vyšších zeměpisných šířkách – Značná chyba kvůli nepřesnosti počátečního nastavení 27

INS se stab. základnou 28

INS Strapdown systém – Tento systém zcela odstranil otočné závěsy kolem základny – Základna měří v souřadné soustavě letadla, do souřadné soustavy Země se data přepočítávají – Jednodušší konstrukce 29

INS Strapdown systém 30

INS Nejvýznamější chyby systému a) Nepřesné vodorovné nastavení základny b) Chybné azimutální nastavení základny c) Integrační chyba b) a) 31

INS Využití výstupu z INS – Hlavní zdroj navigačních informací pro posádku – Využtí systémem FMS pro navigační výpočty, ekonomické úpravy výkonů apod. – EGPWS – systém pro varování před blízkostí Země – nová generace počítá s využitím databáze světových výškových kót 32

INS Dnes používané INS – LTN 92 • • Zkonstruovaný americkou firmou Litton Používá laserové gyroskopy a FRA akcelerometry Samostatný systém s možností zpřesňování (GPS, VORy. . ) 12, 5 hodiny dokáže udržet RNP 10 RNP 0, 3 při použití všech dostupných zpřesnění Používaný především v dopravních letadlech B 747, DC-10, L-1011, F-22 33

INS Dnes používané INS – H-423 • Firma Honeywell • Především pro vojenská letadla • Obsahuje řadu nadstandartních vojenských kontrolních mechanismů • Samozřejmě integrace s GPS a radiomajáky • F-16, F-15 E, F-117, JAS 39 Gripen 34

INS Dnes používané INS – EGI (Embedded GPS Inertial) • • • Kompletně integrovaný systém INS/GPS Automatický provoz Počítač vyhodnotí správnost dat a vybere kvalitnější vstup Minimální zátěž pro pilota Plánuje se použití na nových bojových letadlech X-31, X-36, MB-339 35

INS Dnes používané INS typ LTN-92 přesnost použití 3, 6 km/h civilní životnost letadla do 4000 h B 747, DC-10, L-1011 H-423 EGI 1, 44 km/h vojenská 4000 h < 2 km/h vojenská 6500 h F 15, F 16, JAS 39 X-36, MB-339 36

Shrnutí pojmů Gyroskop – setrvačníkový přístroj k měření úhlové rychlosti otáčení a úhlovýchylek Akcelerometr – zařízení pro měření působícího zrychlení Systém se stab. základnou – systém v kardanovém závěsu, který je natáčen do základního směru (nejčastěji severojižní) Strapdown – systém pevně spojený s letadlem, který přepočítá údaje ze souřadné soustavy letadla do soustavy země pomocí výpočetní jednotky 37

Kontrolní otázky 2 a) Jaké jsou hlavní nevýhody systému INS? 2 b) Jmenujte 2 základní druhy gyroskopů. 2 c) Která ze dvou konstrukčních filosofií je dnes používanější? 2 d) Čím lze zlepšit rozlišovací schopnost laserových setrvačníků? 2 e) Jmenujte největší chyby systému. 2 f) Proč bylo potřeba vyvíjet laserové gyroskopy? 38

Vývoj a nedostatky INS Po probrání této kapitoly porozumíte: – Možnostem vývoje systému – Dosavadním nedostatkům systému Potřebný čas k probrání kapitoly: – 10 minut 39

Vývoj • Aplikace mikroelektromechanických akcelerometrů • Vytvoření systému, který bude plně kompatibilní s GPS i Galileo • Rozšíření radiomajáků DME a zavedení jejich korekce 40

Vývoj • Napřímení letových tras • Snížení bezpečnostních minim a rozestupů (zavedení RNP 1 i na některé tratě) • Aplikace INS/GPS přiblížení (upuštění od ILS) • Zvýšení kapacity leteckých prostorů • Urychlení provozu 41

Nedostatky • Hlavním nedostatkem INS je jeho drift nepřesnosti po delší době provozu • Řešením je aplikace GPS vstupu, který sám o sobě přináší nevídanou přesnost (desítky metrů), bohužel zatím není zcela spolehlivý • INS sám o sobě může nabídnout přesnost několika stovek metrů, což v podstatě nedostačuje zejména přiblížení • Velmi drahý systém => nemožnost aplikace v menších letadlech 42

Shrnutí pojmů INS/GPS/Galileo – rozšíření těchto integrovaných systémů do všech dopravních letadel DME – výstavba pozemních stanic a aplikace zpřesnění z těchto radiomajáků, kvůli jejich přesnosti Akcelerometry – vývoj miniaturních měřících jednotek, k úspoře hmotnosti a spotřeby Gyroskopy – především zlepšení jejich driftu, který představuje v současnosti velmi významnou chybu 43

Klíč k otázkám 1 a) Výhodné je hlavně oprostění od pozemních radiostanic a spolehlivost a tím i použitelnost ve specifických oblastech (oceány) 1 b) Nejpřesnější je zařízení DME 1 c) V nižších výškách dosahuje VOR okolo 100 NM, ve vysokých výškách se může přiblížit až 200 NM 1 d) Kvůli tomu, že je pod taktovkou americké vlády, která je nevyspitatelná (může jej např. kdykoliv bez varování vypnout) 44

Klíč k otázkám 2 a) Hlavní nevýhody představuje hlavně časový nárust chyby, nutnost nastavit systém před startem a potřeba výkonné výpočetní techniky 2 b) Nejvýznamější jsou mechanické a laserové 2 c) V současnosti jsou nejpoužívanější systémy Strapdown 2 d) Rozlišovací schopnost lze zlepšit přidáním vibračního motoru 2 e) Chybné počáteční nastavení základny a integrační chyba 2 f) Starší, mechanické gyroskopy měly velké množstí otočných částí a trpěly velkým třením v ložiscích 45

Prostor pro dotazy Děkuji za pozornost. 46