Автономная навигация беспилотных летательных аппаратов

В автономном режиме полёта, когда по какой-либо причине прямое управление БПЛА оператором с земли невозможно, а спутниковый сигнал недоступен, особое значение приобретают инерциальные средства навигации. Принцип действия инерциальной навигации состоит в определении ускорения объекта и его угловых скоростей с помощью установленных на БПЛА приборов. По этим данным происходит вычисление координат БПЛА, его курса, скорости, пройденного расстояния.

Существует ряд комплексных устройств, способных обеспечить автономную навигацию БПЛА - это прежде всего AHRS, IMU и INS. Они зачастую представляют собой т.н. безплатформенные системы, которые не имеют собственной стабилизирующей платформы и целиком привязаны к носителю. Рассмотрим более подробно каждый тип этих приборов по отдельности.

 

 

Система определения курса и пространственного положения (AHRS)

 

AHRS является простейшей навигационной системой, предназначенной для сверхлёгких БПЛА, радиус действия которых не превышает нескольких десятков километров. Она имеет трёхосевую структуру и как правило строится на МЭМС компонентах. AHRS состоит из гироскопов, акселерометров и магнитометров, позволяющих производить точное определение курса и местоположения БПЛА. Перед началом полёта, система производит автоматический поиск Севера для последующего точного вычисления координат БПЛА. Данные приборов обрабатываются вычислительным блоком на основе микропроцессора с помощью специальных алгоритмов компенсации нулевого смещения (обычно для этой цели используется 6-частный фильтр Калмана). Благодаря этому удаётся достичь курсовой точности в пределах 1-го градуса при разрешении измерений 0,01 градуса. При выборе AHRS так же стоит обращать внимание на следующие параметры:

1. Диапазон измерения крена и тангажа. Стандартно он составляет тангаж ± 90 ° и крен± 180 °. Однако следует иметь в виду, что при тангаже более 40 ° точность измерений резко падает.
2. Массогабаритные характеристики. AHRS не должна препятствовать несению БПЛА прочей полезной нагрузки, например в виде оптико-электронной системы.
3. Климатические характеристики. Поскольку БПЛА часто используются в неблагоприятных погодных условиях, поэтому степень защиты корпуса AHRS должна быть не менее IР 67, а диапазон рабочих температур должен составлять от -40 до +80 °С.
4. Скорость работы прибора. Так задержка пуска желательно не должна быть более 3с, частотный отклик – не менее 50Гц, а скорость передачи данных не менее 2400 бод.
5. Устойчивость к перегрузкам. В идеале она должна превосходить устойчивость к перегрузкам самого БПЛА и составлять не менее 1000g.
6. Протоколы передачи данных. Чем их больше, тем лучше (тем большее количество внешних устройств может быть задействовано). Минимальный список доступных протоколов для AHRS: RS232/RS485/TTL.

 

 

 

Инерциальный измерительный блок (IMU)

 

IMU представляет собой модульную инерциальную навигационную систему, архитектура которой может быть сформирована индивидуально под конкретную задачу. Основу этих приборов обычно составляет сочетание трёхосевых акселерометра и гироскопа, к которым может быть добавлен магнитометр, барометр, температурный датчик и т.д. В результате комплектуется достаточно сложная и многофункциональная измерительная система, позволяющая выполнить полётное задание БПЛА средней дальности (в радиусе от 100км до 1000км). При выборе конкретной модели IMU нужно обращать внимание на следующие моменты:

1. Элементная база на которой комплектуются приборы. Чаще всего это могут быть либо волоконно-оптические компоненты, либо МЭМС. Последние уступают в точности волоконно-оптическим системам, зато выигрывают по массогабаритным характеристикам.
2. Рекомендуемая частота дискретизации должна составлять не менее 1кГц.
3. Возможность интеграции с другими устройствами (главным образом с ГНСС-приёмниками, радарами и средствами визуального слежения).
4. Время задержки пуска и время обновления данных. Чем более разветвлённую структуру имеет IMU, тем оно больше.
5. Точностные характеристики (определение точности местоположения, курсовая точность, точность определения крена и тангажа и т.д.). Тут следует иметь в виду, что при резком снижении или взлёте значение этих характеристик может сильно колебаться.
6. Широкий диапазон гироскопических измерений (не менее ± 1000 °/с) и чувствительность акселерометра (в отличие от гироскопа, тут существует обратная зависимость – чем меньше диапазон измерения, тем в данном случае лучше).
7. Особенности подключения прибора, чаще всего для этой цели используются различные типы авиационных разъёмов.

 

  

                                                        

Интегрированные навигационные системы (INS)

 

Если к IMU подключить ГНСС (Глобальную навигационную спутниковую систему), то мы получим прибор, именуемый INS, в котором данные инерциальных измерительных устройств сочетаются со спутниковыми данными с использованием специальных алгоритмов слияния информации. INS потенциально имеют более высокую точность чем просто инерциальные навигационные системы или чисто спутниковые навигаторы, по этой причине они могут использоваться в качестве бортовых навигационных систем на БПЛА большой дальности (с радиусом полёта свыше 1000км). Помимо перечисленных выше характеристик инерциальных измерительных приборов, для INS также важен правильный выбор ГНСС, которые отличаются различными параметрами:

1. Одноантенный или двухантенный спутниковый приёмник (трёхантенный в данного рода системах используется редко). От этого зависит количество определяемых углов ориентирования.
2. Количество доступных спутниковых каналов. Каждый канал отвечает за получение информации от определённой спутниковой группировки, которых на данный момент насчитывается несколько:

• GPS (США) – наиболее старая и самая распространённая спутниковая система, характеризуемая широкой зоной охвата;
• Galileo (ЕС) – в отличие от других спутниковых систем, она изначально имеет в основном гражданское применение, т.е. более доступна, но не отличается большой надёжностью, поскольку до сих пор находится в стадии формирования;
• QZSS (Япония) – высокоточная (квазизенитная) спутниковая система, но зона охвата у неё пока что оставляет желать лучшего;
• ГЛОНАСС (Россия) – наиболее стабильно работающая в нашей стране спутниковая система навигации;
• BEIDOU или BD (Китай) – самая перспективная спутниковая система, судя по темпам развития орбитальной группировки;
• NavIc (Индия) – наиболее «молодая» и наименее востребованная спутниковая система, в связи с тем, что она надёжно работает только на п-ве Индостан и окружающих его акваториях.

3. Как известно, станция ГНСС также может быть одночастотной или работать сразу на нескольких частотах. На БПЛА применяются в основном одночастотные спутниковые приёмники, поскольку их показания точнее в режиме RTK (режим реального времени).
4. Желательно также, чтобы ГНСС, установленная на БПЛА, могла получать псевдо-диапазонные спутниковые сигналы, т.е. «сырые» данные со спутника, а не переданные наземными ретрансляторами. Это значительно повышает надёжность навигационной системы в целом. 

 

 

В любом случае, сотрудники компании «Лазерные Компоненты» всегда готовы помочь Вам при выборе подходящего навигационного прибора.