Электронные навигационные системы и компоненты BEWIS

Когда-то для определения координат человек пользовался лишь компасом и звездами. А в наши дни существует несколько видов навигационных систем, которые, в свою очередь, собирают данные с целого комплекса приборов и датчиков. Совершенствование технологий обеспечило высокий уровень точности и других эксплуатационных характеристик, но ряд параметров у разных производителей может варьироваться. Например, если прибор имеет высокую производительность, то это отразится на его стоимости. Отличительной чертой устройств фирмы BEWIS являются оптимальное соотношение цены и качества, хорошая производительность, устойчивость к перегрузкам и ударопрочность определённых изделий.

Компания специализируется на изготовлении широкой номенклатуры инерциальных датчиков. Обладая передовой научной и технической базой, инженеры BEWIS внедряют самые современные микромеханические и микроэлектронные технологии.

Функциональность навигационных систем обеспечивают такие параметры как:

1. Количество каналов получения данных.
2. Точность определения координат.
3. Скорость обработки данных.
4. Помехоусточивость.
5. Диапазон измерений датчиков.
6. Устойчивость к нагрузкам.
   И другие.

В зависимости от канала получения данных навигационные системы делятся на несколько видов.

Виды навигационных систем

В настоящее время наиболее распространенными видами навигационных систем являются:

• спутниковая;
• инерциальная;
• интегрированная.

Спутниковая навигация

Спутниковая навигационная система (СНС) — самая распространенная. После начала космической эры и вывода спутников на орбиту Земли она стала естественной преемницей использовавшейся ранее радионавигации, имевшей ряд серьезных недостатков.

Первой возникла американская GPS, поначалу использовавшаяся преимущественно в военных целях. Ответом на ее появление стала разработка аналогичной советской системы — ГЛОНАСС. Сейчас страны, имеющие возможность запускать спутники, стараются обзавестись собственной СНС. В Европе это Galileo, в Китае — Beidou. У Индии и Японии появились региональные системы — IRNSS и QZSS, соответственно.

Принципиальных отличий между наиболее распространенными GPS и ГЛОНАСС нет. За счет разницы в наклонении и высоты орбиты есть разница в точности: GPS хуже работает в приполярных областях, но дает более точные результаты в других точках земного шара. Большинство устройств умеют работать с обеими навигационными системами, поддерживаются также Galileo и Beidou. Как правило, в спецификации к прибору указывается, с какими сигналами он может работать.

Спутниковую навигацию отличает доступность почти во всех точках земного шара и наилучшая среди всех систем точность позиционирования. С помощью спутника можно определить свои координаты с точностью до метра.

СНС не лишена недостатков и один из наиболее существенных — зависимость от внешнего источника данных. В большинстве гражданских применений это не является помехой, поэтому спутниковые системы повсеместно устанавливаются на автомобили, смартфоны, портативные навигаторы и другие устройства. Но в условиях, когда создаются помехи передаче радиосигнала между спутником и навигационным устройством, может произойти сбой в определении координат — от появления большой погрешности до полной потери функциональности. К этому могут привести как естественные причины (вспышки на Солнце, активность ионосферы — особенно в приполярных областях), так преднамеренные помехи в условиях радиоэлектронной борьбы.

Инерциальная навигация

Поэтому на военной технике, БПЛА и гражданских транспортных средствах, работающих в сложных для передачи радиосигнала условиях, СНС дублируется инерциальной навигационной системой (ИНС). Инерциальная система использует данные с установленных непосредственно на аппарате датчиков пространственного положения и способна определять координаты без использования внешних источников информации.

Современные технологии изготовления МЭМС-компонентов позволяют добиться высокой компактности ИНС и размещать ее даже на компактных БПЛА с низкой грузоподъемностью. Например, микроинерциальная система MINS 200/300 имеет размер всего 60х59х29 мм и весит 280 г.

Но у ИНС есть существенный недостаток: она склонна к накоплению погрешности, что требует периодической калибровки датчиков.

Интегрированные системы

Решение этой проблемы возможно за счет сочетания достоинств СНС и ИНС. Системы, работающие по этому принципу, называются интегрированными. Они объединяют в себе

точность спутниковой навигации и автономность инерциальной. В зависимости от выбранной системы комплексирования данных процесс определения координат может осуществляться по разным алгоритмам. Наиболее проста в реализации слабосвязанная схема: датчики определяют положение аппарата в инерциальной системе координат, а показания системы калибруются за счет получения сигнала со спутника. Точность ИНС, построенной по этому принципу, страдает от ошибки предварительного формирования навигационного решения. В сильносвязанной схеме навигационное решение строится на основе координат навигационных спутников и расстояний до них, а показания инерциальных датчиков учитываются на этапе построения. Это позволяет снизить влияние предварительной ошибки и повысить точность системы в целом. При недоступности спутникового сигнала навигационная система не теряет своей функциональности сразу, но в зависимости от скорости нулевого дрейфа начинает накапливать ошибку. Точность поддержания ориентации указывается в характеристиках прибора для определенного временного промежутка, который как правило находится в пределах часа.

Благодаря использованию волоконных и МЭМС-технологий в конструкции интегрированных навигационных систем, они практически не уступают по массогабаритным характеристикам инерциальным. Например, ИНС на МЭМС-компонентах BW-GI100/200 производства BEWIS имеет массу 105 г и габариты 80х40х31 мм. При этом в ее состав входят трёхосные акселерометр, гироскоп, магнетометр и одноантенный спутниковый приемник, способный принимать сигнал нескольких глобальных спутниковых систем.

ИНС на базе волоконно-оптических технологий имеют большие габариты и массу, но превосходят МЭМС в точности. Сравним габариты и точность же упомянутой BW-GI100/200 и волоконно-оптической BW-GI710:

Таблица 1. Сравнение точности позиционирования, габаритов и массы ИНС на МЭМС-компонентах и ИНС на волоконно-оптических компонентах.

Параметр	BW-GI100/200	BW-GI710
Точность позиционирования, м	±8	≤ 2
Габариты, мм	80х40х31	≤ Ø 80х72
Масса, кг	0,105	0,8

Таким образом, при сравнимых габаритах волоконно-оптическая ИНС имеет в 4 раза большую точность при восьмикратном увеличении массы. То есть при выборе базы — волоконно-оптической или МЭМС — нужно руководствоваться задачами, которые будет решать навигационная система. В определённых случаях достаточно точности, обеспечиваемой ИНС на МЭМС-компонентах. Если же точность является основополагающей характеристикой, то стоит сделать выбор в пользу волоконно-оптической технологии.

AHRS-системы

AHRS — это система определения курса и пространственного положения. Она используется в ситуациях, когда необходимы компактность, низкая стоимость и высокая производительность. За счет использования специальных алгоритмов AHRS-системы позволяют с высокой точностью определять изменения положения в пространстве и угловой скорости, а также компенсировать неблагоприятные условия окружающей среды.

По сути, AHRS представляют собой ИНС авиационного применения (малые и средние БПЛА, легкомоторные самолёты).

Номенклатура производимых BEWIS AHRS-систем достаточна обширна и включает в себя почти два десятка наименований, отличающихся точностью и диапазоном измерений входящих в состав системы акселерометров.

Еще одной важной особенностью AHRS-систем производства BEWIS является использование различных компенсаций для устранения ошибок:

• температурная;
• квадратурная;
• магнитная;
• нелинейная;
• компенсация дрейфа гироскопа;

В сочетании с использованием расширенного алгоритма фильтра Калмана это обеспечивает высокую производительность и точность 0,1-3°.

Более подробно с характеристиками упомянутых навигационных систем можно ознакомиться в каталоге.

Быстрое развитие электроники, компьютерной техники и связи, начавшееся в XX и продолжившееся в XXI веке обусловило увеличение точности навигационных систем и уровня автоматизации на беспилотных и управляемых транспортных средствах.

Используемые в навигационных системах датчики могут решать задачи и не связанные с навигацией: контроль параметров статических объектов, бытовое применение, строительство и прочие задачи. Фирма BEWIS экспортирует как полностью укомплектованные и готовые к работе навигационные системы, так и компоненты к ним.

Компоненты электронных навигационных систем

В числе компонентов, поставляемых фирмой BEWIS находятся:

• акселерометры;
• гироскопы.

Электронные компасы

В отличие от магнитного, электронный компас не подвержен влиянию магнитных полей, создаваемых корпусом аппарата, на котором он установлен, а также способен работать в условиях высокой неоднородности магнитного поля. Использование МЭМС-технологий позволяет добиться высокой компактности, благодаря чему прибор легко встраивается в более сложные навигационные системы, используется в авиации и мореходстве.

Для определения направления электронный компас измеряет параметры магнитного поля Земли (МПЗ) по осям X и Y с последующим вычислением долготы и широты. Минимальная погрешность измерения достигается при угле наклона прибора относительно Земли, равном 45°.

Существуют модели электронных компасов со встроенными трехосевыми гироскопом, акселерометром и магнитометром. Например, ЛК-ЦК-Х395 производства BEWIS. В этом случае возможно определение точных динамических координат без подключения дополнительных устройств.

Электронные компасы также могут использоваться в составе более сложных ИНС и встраиваются в них в бескорпусном варианте исполнения. Номенклатура моделей, экспортируемых BEWIS обширна, но все они отличаются компактностью, низким энергопотреблением и высокой для своего класса курсовой точностью. Подробные характеристики приведены в таблице из каталога.

Акселерометры

Акселерометры предназначены для определения ускорения своего носителя. Существуют варианты в одно-, двух- и трехосевом исполнении. Область применения акселерометров не ограничивается навигацией и включает в себя также определение отклонения от вертикальной и горизонтальной оси различных динамических и статических объектов.

Инклинометры

Инклинометры — это приборы, определяющие наклон объекта относительно гравитационного поля Земли. На подвижных объектах используются динамические инклинометры, на неподвижных — статические. Сфера применения инклинометров достаточно широка:

• противоугонные системы;
• строительство дорог;
• статические и динамические параметры стратегических объектов инфраструктуры;
• статические параметры строительных объектов;
• контроль безопасных параметров строительной и землеройной техники;
• определение вертикальности бурения шахты;

и другие.

Определение угла наклона может осуществляться по всем трем осям, но наиболее распространены одно- и двухкоординатные модели.

Современные цифровые инклинометры обладают высокой точностью измерений.  Например, в цифровых инклинометрах производства BEWIS она может достигать 0,001°. Использование МЭМС-технологии делает их компактными и легкими, что имеет критическое значение для небольших БПЛА. Точность измерений и компенсация погрешностей обеспечивается применением фильтра Калмана.

Гироскопы

В настоящее время в навигации и других областях техники в том числе применяются гироскопы на базе волоконно-оптической и МЭМС-технологии.

Главными достоинствами волоконно-оптических гироскопов являются:

• длительный срок эксплуатации (десятки тысяч часов);
• небольшие габариты (например, габариты ЛК-ВОГ-100А — ⌀60х30 мм);
• высокая стабильность (например, стабильность смещения ЛК-ВОГ-100А менее 1 градуса в час);
• короткое время пуска (менее 1 с);
• низкое (уступающее только МЭМС-гироскопам) энергопотребление (5 Вт и менее).

МЭМС-гироскопы применяются в случаях, когда необходим миниатюрный размер, низкое энергопотребление. Существуют также МЭМС-датчики, обладающие высокой прочностью и виброустойчивостью.  Например, МЭМС-гироскоп ЛК-МЭМС-ГИРО100 потребляет всего 70 мВт, способен выдерживать перегрузки до 10000 g и помещается в корпусе 10х10х3,5 мм.

Помимо использования в волоконно-оптических и МЭМС навигационных системах гироскопы применяются для гиростабилизации различных устройств, в качестве датчиков поворота или наклона планшетов и смартфонов.

МЭМС-гироскопы являются одним из ключевых компонентов малогабаритных инерциальных измерительных блоков IMU, широко используемых в беспилотных аппаратах, навигационных системах, инженерном оборудовании, дистанционных системах контроля и других областях применения.

Заключение

Компания BEWIS производит инерциальные измерительные устройства всех типов — от гироскопов, акселерометров и инклинометров до инерциальных и интегрированных навигационных систем.

Основными преимуществами BEWIS перед конкурентами являются:

• соотношение цена/качество;
• высокая производительность;
• компактность;
• низкое энергопотребление;
• небольшая масса;
• интегрируемость компонентов в большинство навигационных систем;

Ставка компании на развитие инерциальных систем, особенно на базе МЭМС, оправдана непрерывным ростом этого рынка в течение последних 20 лет. Сохраняющаяся тенденция к миниатюризации устройств, развитие микроэлектроники и программных алгоритмов повышения точности измерений сохраняют актуальность дальнейших инвестиций в этом направлении.

Номенклатура навигационных систем и датчиков BEWIS довольно обширна, поэтому наши специалисты готовы оказать вам всестороннюю поддержку в выборе оборудования под ваши конкретные задачи. Для этого отправьте запрос на один из наших контактов.