В современном мире среди навигационных систем все популярнее становятся системы на основе инерциальных датчиков для автономного определения положения и ориентации объекта в пространстве. Их плюс в том, что они не зависят от внешних источников информации, а обеспечивают точное позиционирование, получая данные о положении объекта в трехосевой системе координат. Они активно используются в авиации, космонавтике, на кораблях и подводных лодках, а также БПЛА. Однако точность позиционирования устройств в пространстве во многом зависит от стабильности внутренних параметров. Скачки характеристик приводят к погрешностям, а значит, к некорректному определению местоположения объекта. Ученые ПНИПУ разработали алгоритмы для стабилизации параметров системы, которые потенциально позволят в несколько раз повысить точность навигационных систем. Управление транспортом под водой, в небе и космосе станет надежнее и безопаснее.
В Пермском Политехе повысили стабильность и точность навигационных систем / © Getty images
Статья с результатами опубликована в научных трудах конференции 2023 Seminar on Electrical Engineering, Automation & Control Systems, Theory and Practical Applications (EEACS). Проект выполнен в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». Инерциальная навигационная система – это модуль, состоящий из нескольких важных датчиков.
Первый – волоконно-оптический гироскоп, с помощью которого можно определить угол наклона тела. Это дает информацию об ориентации объекта в пространстве: как он движется, меняет положение, снижается. Второе устройство – акселерометр, благодаря силе тяжести он помогает понять положение объекта относительно земли. В отличие от гироскопа, этот датчик сможет определить ориентацию тела, даже если оно находится без движения, так как знает, где находится земля.
Данные с этих устройств идут в микроконтроллер – небольшой компьютер, содержащий математические алгоритмы. Он обрабатывает полученную информацию, а потом выдает человеку обработанные данные о положении объекта. Таким образом, например, происходит вычисление координат самолета, его курса, скорости и пройденного расстояния.
Волоконно-оптические датчики позволяют добиться высочайшей точности получения информации. Принцип их действия заключается в распространяющейся световой волне, которая многократно преломляется и передает сигнал аналогично электричеству. Но оптическое волокно может изменять свои характеристики в зависимости от внешних факторов, например, температуры.
Так при авиаперелетах, в северных областях, когда техника выезжает из теплого помещения на улицу, внешняя температура сильно понижается. Скачки характеристик системы могут привести к накоплению ошибок и выдаче некорректных навигационных показаний. Это серьезная проблема, влияющая на точность устройства.
Чтобы обеспечить защиту от больших перепадов температуры, необходима термоизоляция, однако она значительно увеличивает габариты устройства, из-за чего невозможно серийное производство. Но есть и алгоритмический способ регулировки характеристики источника излучения. Его и использовали ученые Пермского Политеха, стабилизировав такие параметры, как средневзвешенная длина волны и мощность источника излучения.
«Стабилизация необходима для снижения погрешности выходных характеристик системы. Чем меньше меняются средневзвешенная длина волны и мощность, то есть чем они стабильнее, тем выше точность навигационной системы. Это, в свою очередь, повлияет, например, на точность приземления самолета или определения движения ракеты. Мы разработали математические алгоритмы, которые корректируют эти параметры в микроконтроллере», – объясняет аспирант кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ Ксения Никитина.
Средневзвешенная длина волны – это ключевой фактор, характеризующий точность. Ученые выяснили, что его начальное отклонение в зависимости от температуры составляет один нанометр. Но даже такая нестабильность приводит к ошибкам в выходном сигнале.
Экспериментальную часть работы политехники проводили на базе лаборатории перспективных исследований Пермской научно-производственной приборостроительной компании, где и планируется последующее внедрение разработанных алгоритмов. Ученые выявили зависимости средневзвешенной длины волны от значений внешней температуры и тока накачки лазера. На их основе, разработали алгоритмы, позволяющие стабилизировать параметры на необходимом уровне.
Чтобы их применить, политехники модифицировали программу микроконтроллера. Теперь, когда от термодатчика в него поступает значение внешней температуры и применяется алгоритм ученых, микроконтроллер плавно изменяет ток так, чтобы поддерживать средневзвешенную длину волны в нужном диапазоне.
«Нам удалось снизить нестабильность параметра в несколько раз, что потенциально позволит в таком же соотношении повысить точность навигационной системы при применении разработанных алгоритмов. Но полученный результат – не предел. Мы еще ведем работы, по итогу которых ожидаем значительного улучшения», – поделился доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ Владимир Фрейман.
Предложенные учеными ПНИПУ метод стабилизирует выходные параметры навигационной системы до десятков миллионных долей, что в несколько раз меньше, чем без разработанных алгоритмов. Это позволяет всегда корректно определять положение в пространстве, даже при изменяющихся внешних условиях. Разработка дает возможность получать точную беспрерывную навигацию для объектов авиации, космонавтики, морского и военного дела.
