Por que o alinhamento do IRS leva tanto tempo?

Em resumo

Quanto maior o tempo necessário para alinhar uma unidade inercial, é o preço a pagar por sua independência em qualquer equipamento ou sinal externo, mas na própria Terra.

• Um receptor GPS é mais rápido, mas é apenas uma peça pequena em um sistema enorme. O GPS segmento terrestre (estações de controle e monitoramento) e segmento espacial (satélites) são necessários para os receptores GPS (segmento de usuário no jargão) para trabalhar. Eles têm várias possibilidades de falhar, essa dependência crítica não pode ser fornecida por um sistema de navegação aérea, o backup do GPS deve ser feito por meio de inércia (pode ser INS, IRS, IMU ou combinado com unidades de dados aéreos como ADIRU).

Durante o alinhamento inercial, a unidade detecta com precisão o local vertical e o norte verdadeiro (na verdade, o eixo polar da Terra). O problema é que perceber o norte verdadeiro requer conhecer a latitude e determinar a latitude exige conhecer o norte verdadeiro. Isso é resolvido usando aproximações sucessivas de ambos os dados - infelizmente essa iteração é convergente - até que a precisão desejada seja alcançada.

É lento porque a rotação da Terra produz pequenos efeitos em pequena escala de tempo e ainda não encontramos sensores mais práticos. Os efeitos dependem da distância do eixo de rotação, maior no equador do que nos pólos.

• Enquanto o GPS depende também de muito sinais fracos e aparentemente aleatórios, eles podem ser facilmente recuperados pelo processamento de sinal digital assim que o algoritmo e a semente do gerador aleatório forem conhecidos.

Um IRS fornece a posição como um receptor de GPS. O IRS também fornece o plano horizontal (referência de atitude) e a direção norte, inacessíveis apenas ao GPS. Essa é outra razão pela qual os sistemas inerciais ainda são usados.

Detalhes

Gimballed vs strapdown

O princípio dos sistemas inerciais com bola de gim é simples: os acelerômetros são mantidos orientados com a Terra usando uma plataforma com bola de gim e todas as medições são feitas no sistema de referência da Terra.

Nos sistemas inerciais de amarração, acelerômetros e giroscópios (laser / ópticos) de taxa são alinhados no sistema de referência da aeronave, e são feitas medições relacionadas a esse sistema. Exceto essa diferença, os princípios de alinhamento são os mesmos.

^{Princípio geral de um sistema inercial de amarração, fonte}

A inercial gimballed antiga é mais longa para alinhar porque os giroscópios gimballed são menos precisos que os giroscópios a laser fixos. Para as explicações, vamos assumir uma plataforma estável empilhável.

O alinhamento consiste em obter a orientação e velocidade da Terra e a posição inicial da unidade inercial. Após o alinhamento, a velocidade, a atitude e a direção atuais serão determinadas pela integração de acelerações e taxas de rotação e adicionando o resultado aos valores iniciais.

Tempo de alinhamento versus precisão obtida

O alinhamento visa determinar dois eixos: vertical do local (direção da gravidade) e azimute norte verdadeiro (paralelo ao eixo de rotação da Terra). Para esta fase, são usados ​​acelerômetros e giroscópios. Embora a vertical seja relativamente fácil de determinar com acelerômetros, a determinação direta da direção norte verdadeira não é possível:

• A direção do norte verdadeiro não pode ser detectada sem conhecer a latitude local, e a latitude não pode ser determinada sem conhecer a direção do norte verdadeiro.

A maneira prática de proceder é: Defina um valor inicial para a latitude (pode-se assumir), determine a direção norte aproximada. Conhecendo o norte aproximado, determine a latitude aproximada. A partir da latitude aproximada, refine a direção norte, etc.

• Veja o princípio inercial detalhado e o processo de alinhamento em: Como as aeronaves podem determinar o norte verdadeiro para os sistemas de navegação inercial?.

A precisão do verdadeiro rolamento norte aumenta com o tempo de alinhamento:

^{Fonte: Um método de alinhamento aprimorado para o sistema de navegação inercial com amarração}

O alinhamento requer que a unidade esteja imóvel; portanto, qualquer movimento irregular diminui a relação sinal / ruído inercial, o que atrasa esse processo (passageiros embarcando, vento agindo nas superfícies traseiras, etc.).

Inercial não precisa de equipamento ou sinal externo

Inercial é um dispositivo independente, completamente independente de qualquer equipamento externo ou sinal artificial. Baseia-se apenas na velocidade de rotação da Terra e na gravidade. É por isso que ainda é usado para navegação, apesar dos auxiliares de rádio e GPS existentes (o GPS é realmente outro auxílio de rádio).

Hoje, a inércia é usada principalmente para fazer backup do GNSS

Pode-se perguntar por que os sistemas inerciais ainda são usados ​​na era do GPS, apesar de sua precisão limitada e longo procedimento de alinhamento. O principal motivo é que você não pode confiar cegamente na disponibilidade da constelação de GPS. Vamos listar algumas das possíveis falhas.

GPS é a solução dos EUA para posicionamento por satélite ou GNSS. Embora as organizações de defesa possam obter créditos por diferentes razões, a dificuldade de criar um GNSS civil tem sido impressionante com os inúmeros atrasos encontrados na construção Galileo, o GNSS europeu. Ele precisa projetar, lançar e manter a constelação de satélites (são necessários mais de satélites 20 para precisão e disponibilidade). A constelação deve ser permanentemente monitorada e controlada a partir de estações terrestres em todo o mundo.

O sinal GNSS pode ser perturbado por fenômenos naturais: Atividade do sol, clima e cinzas vulcânicas podem bloquear parcial ou totalmente o sinal de rádio, reduzindo a precisão e a disponibilidade. Se a constelação GNSS falhar, nenhum receptor GNSS preciso poderá funcionar:

• Para uso de precisão padrão (leia-se: precisão limitada), o GNSS (GPS, Glonass, Galileo, Compass, Navic) é / será compatível e, dependendo da sua localização, os usuários podem alternar de um sistema para o outro e, possivelmente, usar os recursos associados. sistema de aumento (Waas, Egnos, SDCM, Gagan, etc).

• GNSS preciso o uso realmente requer chaves de decifração para uma determinada constelação, que não são compartilhadas entre operadores de constelação por razões comerciais e de defesa óbvias.

Dependência do Departamento de Defesa dos EUA e conflitos militares

O GPS é um sistema militar dos EUA. Foram assinados acordos entre o Departamento de Defesa e as organizações civis para uma exploração civil da constelação de GPS. Isso dá à aviação mundial algumas garantias aceitáveis ​​sobre o acesso ao sinal de GPS.

No entanto, o GPS ainda é vulnerável a interferências dos oponentes. Em teoria, também é suficiente destruir as quatro antenas de controle de solo para tornar os receptores GPS inúteis após algumas semanas.

^{Estações de controle GPS}

GPS é não sempre preciso e disponível

Diluição de precisão

A disponibilidade e a precisão do GPS são fornecidas por um indicador: diluição de precisão or PDO. Quanto maior o DOP, menos preciso é o sistema. A precisão é significativamente reduzida para um DOP maior que o 3

Vale lembrar que, mesmo sem nenhum dos problemas listados anteriormente, um valor máximo de DOP não é garantido, ou mesmo viável, nas regiões polares, e é garantido apenas para 95% do tempo em outras regiões. Esse era um princípio de design mantido desde o início, para limitar o número de satélites no segmento espacial.

Embora alto, o 95% ainda significa o 72 minutos por dia com desempenho desconhecido. Exemplo de pico de DOP grande superior a 3:

^{Degradação da precisão}

Recepção de sinal de rádio

Obviamente, os sinais de rádio não são recebidos no subsolo (túneis), debaixo d'água (submarinos) e podem ser significativamente enfraquecidos pela folhagem, a ponto de o GPS ser difícil de usar em florestas altas e densas.

Quando o GPS está temporariamente indisponível, soluções inerciais podem ser usadas para manter alguma capacidade de determinação de posição até que o sinal do GPS seja readquirido. Isso é muito usado em sistemas de navegação automotiva para lidar com túneis e prédios altos. A unidade inercial é uma precisão pequena (e muito baixa) MEMS contido na caixa do receptor GPS ou no smartphone.

Parâmetros orbitais

Finalmente, vamos repensar a afirmação de que a correção do GPS é quase imediata.

Isso é verdade desde que o receptor já esteja ciente de onde os satélites estão localizados. A constelação transmite periodicamente os parâmetros orbitais (mensagem de navegação contendo almanaques, efemérides e correções de tempo) para cada satélite. Leva 13 minutos para obter o almanaques necessário para um posicionamento grosso, na taxa lenta usada.

Se o receptor ainda não tiver os almanaques, ou eles tiverem sido apagados, serão necessários minutos 13 para que a primeira correção possa ser executada (e minutos adicionais 13, se a recepção for interrompida ao receber os almanaques).

Para obter a precisão regular, são necessárias as efemérides recentes dos satélites usados ​​para a correção. Isso pode levar alguns segundos adicionais. As efemérides são atualizadas a cada minuto 30, se bem me lembro.

Também para mencionar é que o GPS realmente realmente diz onde você "não estava" onde está. Os pulsos de GPS são recebidos apenas na taxa impressionante de 1 Hz. Então, uma vez por segundo, você obtém uma "posição fixa" de onde estava um segundo atrás, além de alguns acertos de contas em aplicativos como o Google Maps e outros que tentam adivinhar onde você está indo entre pulsos. O INS, por outro lado, calcula quase continuamente, com muitas variantes de aviação, como a posição de cálculo da Honeywell 764 em cerca de 240Hz.

Dependendo da interface de dados conectada, você não obterá as correções de posição tão rapidamente (40hz), mas ainda assim será muito mais rápido que o GPS. Além disso, um INS fornece informações para um avião que são quase mais importantes que a posição e são atitudes, velocidades e acelerações. Isso é absolutamente essencial para sistemas como piloto automático, exibição heads-up, radar, etc. Além disso, com um filtro Kalman de loop fechado, você pode garantir que os erros calculados sejam inseridos no sistema para fornecer uma posição extremamente precisa por um longo período de tempo. (~ 0.1NM / ele deriva).

O GPS é inútil para abordagens de autoland, autonavigation e independentes, que são um grande negócio para aplicações militares. O Honeywell mencionado acima é um EGI (melhora o GPS / INS). Ele pega os pulsos do GPS e corta a posição INS a cada segundo. Este é realmente o melhor dos dois mundos. Quando o GPS é altamente preciso (com base na posição da sobrecarga da constelação), você não consegue superar uma posição GPS. Mas quando o GPS é ruim ou negado, o INS rejeita os hacks e faz o trabalho.

O GPS é conveniente, mas acho que nunca substituirá um bom INS à moda antiga.