מערכת ניווט אינרציאלית

מערכת ניווט אינרציאלית או INS (ראשי תיבות של: ‏Inertial Navigation System) היא עזר ניווט העושה שימוש במחשב וברכיבי IMU, אשר פועלים כחיישני תנועה אינרציאליים לניווט לפי חישוב עיוור. כלומר חישוב רציף של מיקום, כיוון ומהירות ללא כל צורך במידע חיצוני. מערכות ניווט אינרציאליות (להלן מנ"א) משמשות בספינות ובצוללות, בכלי טיס ובטילים מונחים ובחלליות.

עקרון פעולה

מערכת ניווט אינרציאלית (מנ"א) כוללת לכל הפחות מחשב ויחידה המכילה מדי תאוצה, גירוסקופים או חיישני תנועה אחרים. עם הפעלת המערכת מזינים לתוכה את מיקומה ואת מהירותה ההתחלתיים, ומאותו רגע משתמשת המערכת בנתוני התנועה הנמדדים על ידיה, לחישוב רציף של מיקומה ומהירותה. לאחר הפעלתה פועלת מנ"א ללא תלות בנקודות ייחוס חיצוניות ומכאן חסינותה לאמצעי שיבוש והטעיה.
המערכת יכולה לזהות שינויים במישורי תנועה שונים (כגון תנועה למעלה או תנועה צפונה), במהירות (גודל המהירות וכיוונה) ובאוריינטציה (כגון סבסוב או עלרוד). השינויים מחושבים לפי מדידות של תאוצות קוויות או זוויתיות. גירוסקופים מודדים שינויים בכיוון, שינויים בזווית בין מצבו ההתחלתי של המכשיר לבין מצבו החדש. נתון זה משולב במהירות הזוויתית ובכיוון ההתחלתי של המערכת ומאפשר חישוב של מהירות זוויתית וכיוון נוכחי. חיישני תאוצה קווית מודדים את תאוצת המערכת לכיוונים שונים אלא שנקודת ההתייחסות שלהם היא המערכת עצמה והם חסרים התייחסות לאוריינטציה שלה. אינטגרציה של נתוני חיישני התאוצה עם נתוני הגירוסקופים מאפשרת לחשב את כיווני התאוצה הקווית, מהם נגזרת מהירותה של המערכת ומחושב מיקומה.

סחיפה

מערכת ניווט אינרציאלית סובלת משגיאה מצטברת שהולכת וגדלה ביחס ישר לזמן שחלף מהפעלת המערכת. כמערכת בקרה בחוג פתוח, טעויות קטנות או חוסר דיוק במדידות החיישנים משתלבות ומצטברות לשגיאות במיקום, בכיוון ובמהירות המחושבים על ידי המערכת. בהיעדר תיקונים לנתונים המחושבים על ידי המערכת, מסתמכת זו בכל רגע על מיקומה המחושב הקודם כבסיס למיקומה המחושב הנוכחי, כך שכל טעות נשמרת לאורך זמן ומצטרפת לטעויות חדשות. טעות של מנ"א נמדדת במיל ימי לשעה (nmph). טעות של 1.7 מיל ימי לשעה פירושה שלאחר שעה של פעולה, דיוק המנ"א הוא 1.7 מיל ימי. למערכות הנחשבות מדויקות דיוק של 0.6 מיל ימי לשעה במיקום ושל עשיריות מעלה לשעה באוריינטציה.
מנ"א אינה תלויה בנקודות ייחוס חיצוניות ולכן חוסר הדיוק שלה הופך אותה מתאימה יותר כמשלימה למערכת ניווט אחרת. בשימוש קרקעי אפשר לצמצם את גודל הטעות שלה בעזרת עדכון מהירות, עצירה של הרכב ועדכון המערכת לגבי ערך המהירות השווה לאפס. שימוש נפוץ במנ"א נעשה בשילוב עם מערכת ניווט לוויינית (כגון GPS) המשלב את יתרונותיהן של שתי המערכות, מצד אחד דיוקה של מערכת הניווט הלווייני ומצד שני האוטונומיה של מערכת הניווט האינרציאלית. כך למשל המנ"א מתעדכנת תדיר מנתוני שידור הלוויינים ומוחקת את השגיאות המצטברות שלה וכאשר קיימת הפרעה בקליטת האותות מהלוויינים נסמכת המערכת המשולבת על הנתונים המחושבים על ידי המנ"א.

היסטוריה

מערכות ניווט אינרציאליות פותחו במקור עבור רקטות. חלוץ הטילים האמריקאי רוברט גודרד בחן מערכות גירוסקופיות בסיסיות שעוררו עניין רב בבני תקופתו, דוגמת מדען הטילים הגרמני ורנר פון בראון.
במלחמת העולם השנייה, כללו טילים גרמניים מסוג V-2, מערכת ניווט הנחיה שהורכבה משני גירוסקופים, מד תאוצה בציר הרוחב ומחשב אנלוגי פשוט. המערכת ניטרה את כיוון הטיסה של הטיל ותיקנה אותו בעזרת אותות אנלוגים מהמחשב שהניעו ארבע מסיטי סילון בזנב הטיל. עם סיום מלחמת העולם השנייה, נכנעו לאמריקאים פון בראון וכ־500 מעמיתיו והסגירו עימם גם רכיבי טילים. ב־1945 הועברו הגרמנים למתקן צבאי בטקסס בשם פורט בליס וב־1950 להאנטסוויל באלבמה.
בתחילת שנות ה־50 התבקשה מעבדת המיכשור של המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) בראשות צ'ארלס סטארק דרייפר לספק מערכת הנחיה פנימית כמערכת מגבה לטיל האטלס. מערכת ההנחיה של האטלס תוכננה כשילוב של מערכת אוטונומית על גבי הטיל ושל תחנת מעקב ושליטה קרקעית. בסופו של דבר, המערכת האוטונומית תפסה מקום מרכזי בטילים בליסטיים, והשילוב בינה לבין תחנה קרקעית נותר בשימוש בחקר החלל.
בקיץ 1952 חקרו ד"ר ריצ'רד בטין וד"ר הלקומב לנינג פתרונות ממוחשבים להנחיה. לנינג בסיוע פיל הנקינס וצ'ארלי ורנר פיתחו שפת מחשב אלגברית בשם MAC ל־IBM 650 שהושלמה באביב 1958. שפת המחשב של פרויקט מעבורת החלל, HAL/S, פותחה על בסיס MAC.
ב־1954 החלו לנינג ובטין לנתח את בעיית ההנחיה הפנימית של האטלס. יחד איתם עבדו על הפרויקט המהנדס הראשי צ'ארלי בוסרט וראש קבוצת ההנחיה וולטר שווידצקי. שווידצקי עבד עם פון בראון במהלך מלחמת העולם השנייה.
בגרסה ראשונית, העריכה מערכת ההנחיה דלתא את הפער בין המיקום לבין המסלול המתוכנן. היא חישבה מהירות נדרשת לתיקון המסלול מתוך שאיפה לאפס את המהירות הנדרשת לתיקון. תקפותה של שיטת החישוב לא סייעה להשמשת המערכת שכן היכולות המעשיות של מחשבים אנלוגים ומדי התנועה לא איפשרו את ישומה. הפתרון נוצר במערכת ההנחיה Q. מערכת Q הציגה נגזרות חלקיות מהמהירות תוך התייחסות לוקטור המיקום. חישובי המערכת יכלו לשמש ישירות להנחיית הטייס האוטומטי, טכניקה שכונתה cross-product steering. מערכת Q הוצגה במהלך הכנס הטכני הראשון לטילים בליסטים שנערך בתאגיד רמו־ולדריג' (Ramo-Wooldridge Corporation, היום מכונה TRW) בלוס אנג'לס ב־21 וב־22 ביוני 1956. המידע על המערכת נשאר מסווג במהלך שנות ה־60. מערכות המבוססות על מערכת Q נמצאות גם בטילים בני ימינו.

פרוט טכני

מערכות ניווט אינרציאליות כוללת מדי תאוצה זוויתית ומדי תאוצה קווית, חלקן כוללות גירוסקופים המאפשרים התייחסות לאוריינטציה המוחלטת, לכיוון אליו פונה המערכת ללא תלות במדידות וחישובים קודמים של המערכת.
מדי תאוצה זוויתית מודדים את תאוצת המערכת בחלל. לרוב ימצא בכל מישור תנועה לפחות מד תאוצה זוויתית אחד. התנועות הסיבוביות במישורי התנועה הן עלרוד (חרטום עולה או יורד), סבסוב (חרטום פונה ימינה או שמאלה) וגלגול (סיבוב בציר המקביל לכיוון ההתקדמות).
מדי תאוצה קווית מודדים את התאוצה (ללא הכבידה) של המערכת. למנ"א מד תאוצה קווית לכל אחד משלושת צירי התנועה, מעלה ומטה, ימינה ושמאלה וקדימה ואחורה.
חלקה השני של המערכת כולל מחשב המחשב ללא הרף את מיקומה. ראשית, לגבי כל אחת משש דרגות החופש (x,y,z ו־θₓ, θy‏, θz) משולב המידע מהתאוצות המדודות בגודלה המשוער של הכבידה לחישוב המהירות הנוכחית. לאחר מכן משולבת המהירות בחישוב המיקום הנוכחי. העדרו של מחשב מקשה על בניית מנ"א. הצורך בהנחיה אינרציאלית לתוכנית אפולו. ולטיל הבליסטי הבין־יבשתי מיניטמן דחף לניסיונות הראשונים למזעור מחשבים.
היום משולבות מנ"א עם מערכות ניווט לווייניות בעזרת סינון דיגיטלי. המנ"א מספקת מידע מיידי והמערכת הלוויינית מתקנת את הטעויות המצטברות של המנ"א.
מנ"א המופעלות על כלי רכב הנעים סמוך לפני כדור הארץ כוללות מתקן נוסף (Schuler tuning) המשמר את כיוון המערכת כולה ביחס למרכז כדור הארץ. בעת תנועת הרכב על פני השטח, נשארת המנ"א פונה לכיוון מרכז הכדור.
אחת הדרכים לסידור חיישני תאוצה היא הצבת מדי התאוצה הקווית על פלטפורמה מיוצבת גירוסקופים בגימבלים (gimbaled gyrostabilized platform). גימבלים הם שלוש טבעות המחוברות זו לזו דרך מיסבים המונחים בדרך המציבה את הטבעות בזווית ישרה זו לזו. הגימבלים מאפשרים לפלטפורמה במרכזן להסתובב לכל כיוון או לרכב שאליו מחוברת הפלטפורמה להסתובב לכל כיוון מסביב לפלטפורמה, בלי שישפיע על כיוונה.
על הפלטפורמה נמצאים בדרך כלל שני גירוסקופים כדי לייצב אותה. לגירוסקופים מהירות ותאוצה שווים והם מותקנים בזווית ישרה המביאה לביטול הדדי של תופעת הנקיפה.
מדידת התאוצות הזוויתיות של המערכת (בסבסוב, בגלגול ובעלרוד) נעשית ישירות במיסבי הגימבלים. הוספת התאוצות הקוויות לחישוב נחשבת פשוטה יחסית שכן כיוון מדי התאוצה הקווית אינו משתנה.
חסרונה הגדול של מערכת כזו הוא מחירם של חלקיה המכנים המדויקים. בנוסף, היא כוללת חלקים נעים הנוטים לבלאי, למעצורים ול"נעילת גימבל" עלולה להתרחש בה. מערכת ההנחיה העיקרית של חלליות אפולו השתמשה בפלטפורמת גימבל תלת־צירית שהעבירה נתונים למחשב ההנחיה של החללית. תמרוני החללית תוכננו בדרך שלא תאפשר מצב של "נעילת גימבל".
המדידים הנמצאים כיום בשימוש כוללים גירוסקופ תנודות, גירוסקופ כיפת תהודה, חיישן מגנטו־הידרודינמי, גירוסקופ מבוסס טבעת לייזר, גירוסקופ סיב אופטי ועוד.

פלטפורמה מיוצבת גירוסקופים תלויה בנוזל

אחד הפתרונות למגבלות התמרון בשל נעילת גימבל ולשימוש במיסבים ובטבעות הנוטים להישחק, הוא פלטפורמה מיוצבת גירוסקופים הצפה על מיסבי נוזלים או גז (Fluid-suspended gyrostabilized platform). למערכת זו רמות דיוק גבוהות והיא מאפשרת חישוב פשוט של התאוצות הודות לשמירה על כיוונם של חיישני התאוצה הקווית.
מיסבי נוזלים עשויים מרפידות מחוררות, דרך החורים עובר גז אינרטי או נוזל בלחץ המופעל נגד הפלטפורמה הכדורית של המערכת. למיסבים מקדם חיכוך נמוך במיוחד המאפשר לפלטפורמה לנוע בחופשיות. מערכת כזו כוללת בדרך כלל ארבעה מיסבים בתצורה של ארבעון התומכים בכדור.
במערכות בעלות איכות גבוהה חיישני התנועה הסיבובית הם מערך של סלילים המורכבים על הספירה הכדורית ומחוץ לה. שינוי בכיוונה של הפלטפורמה והסלילים שעליה משפיע על השדה המגנטי סביב לה. השינוי משרה זרמים חשמליים בסלילים החיצוניים ומדידת הזרמים מספקת מידע על תנועת הפלטפורמה. מערכות זולות יותר כוללות ברקוד למדידת תנועה ותא סולרי או סליל בודד להעברת כוח לפלטפורמה.
מידע מהפלטפורמה החוצה מועבר דרך סלילים או בעזרת דיודה פולטת אור (LED) המאירה פוטודיודה.

מערכת מקובעת

מחשבים דיגיטליים קלי משקל מאפשרים הקמת מערכות ניווט אינרציאליות ללא פלטפורמות מיוצבות (מכונות באנגלית strapdown systems). במערכות אלו חיישני התאוצה פשוט מחוברים לגוף הרכב. מערכות מקובעות זולות יותר, הן אינן פגיעות לנעילת גימבל והפעלתן דורשת פחות כיול. יש בהן פחות חלקים נעים ולכן אמינותן עולה.
מערכת מקובעת מקבלת נתונים מחיישנייה בקצב גבוה בהרבה ממערכת עם גימבלים. קצב העדכון של מערכת עם גימבלים הוא 50–60 הרץ ואילו במערכת מקובעת קצב העדכון מגיע ל־2,000 הרץ. חישוב מהירות המערכת נעשה בעזרת אלגוריתם מורכב שאפשר להריץ רק במחשב דיגיטלי.
העלויות הנמוכות ביצור מחשבים מודרניים ומהירותם, מאפשרים ייצור המוני של מערכות מקובעות. מערכות אלו נפוצות במערכות מסחריות ובמערכות צבאיות (כגון מטוסים וטילים), אך נדירות יותר במקומות שרמת הדיוק הנדרשת גבוהה (למשל בצוללות ובטילים בליסטים בין־יבשתיים).

אוריינטציה מבוססת תנועה

אוריינטציה של מערכת ניווט אינרציאלית מקובעת יכולה להיקבע בעזרת מעקב אחרי נתוני המיקום של הרכב (מנתוני מערכת ניווט לווייני למשל). כיוון התנועה של כלי רכב כגון מטוסים ומכוניות הוא גם כיוונה של המנ"א.
בדרך זו נעשה כיול המערכת תוך כדי תנועת הרכב באוויר או ביבשה. אוריינטציה מבוססת תנועה מאושרת לשימוש על ידי מנהל התעופה הפדרלי של ארצות הברית (FAA) לטיסות מסחריות הנמשכות עד 18 שעות.