מערכת ניווט אינרציאלית

מערכת ניווט אינרציאלית או INS (ראשי תיבות של: Inertial Navigation System) היא עזר ניווט העושה שימוש במחשב וב־IMU, אשר פועלת כמכלול חיישני תנועה אינרציאליים לניווט לפי חישוב עיוור, כלומר חישוב רציף של מיקום, מהירות ומצב זוויתי ללא כל צורך במידע חיצוני, למעט תנאי התחלה. מערכות ניווט אינרציאליות (להלן מנ"א) משמשות בספינות, בצוללות, בכלי טיס, בטילים מונחים, בחלליות ובכלי רכב אוטונומיים.

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, מהירותה ומצבה הזוויתי ההתחלתיים, ומאותו רגע משתמשת המערכת בנתוני התנועה הנמדדים על ידיה, לחישוב רציף של מיקומה, מהירותה ומצבה הזוויתי. לאחר הפעלתה פועלת מנ"א ללא תלות בנקודות ייחוס חיצוניות ומכאן חסינותה לאמצעי שיבוש והטעיה, אך היא צוברת שגיאות שגדלות בכל צעד ניווט.

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 מהירויות זוויתיות. גירוסקופים מודדים שינויים בכיוון ושינויים 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.

שגיאות המערכת האינרציאלית 
מערכת ניווט אינרציאלית סובלת משגיאות מצטברות שהולכות וגדלות ככל שהזמן שחלף מהפעלת המערכת עולה, וככל שהמערכת מתרחקת מנקודת המוצא שלה. דוגמה לשגיאה שגדלה עם הזמן היא שגיאת מהירות בהשפעת שגיאת היסט של מד תאוצה. דוגמה לשגיאה שעולה ככל שהמרחק גדל היא שגיאת המיקום כתוצאה משגיאת זווית התחלתית.

שגיאות מערכת הניווט האינרציאלית מורכבות משגיאות במדידה, שגיאות מודל ומשגיאות חישוביות. שגיאות המדידה הן אי דיוק של מדידה של הגודל הפיזיקאלי, אשר משפיע על אי דיוק המערכת כולה, דוגמה לשגיאת מדידה היא סחיפה של הסביבון. שגיאות מודל, היא שגיאה שנובעת מידע מוקדם על המערכת אך הידע אינו מדויק, דוגמה לשגיאת מודל היא גודל כח הכבידה במיקום הנוכחי (נדרש לדעת אותו כחלק מאלגוריתם הניווט). שגיאות חישוביות, נובעות בעיקר מעצם זה שהחישוב והמדידות אינם רציפות, אלא בדידות. דוגמה לשגיאה חישובית היא שגיאת CONNING.

טעויות קטנות בתנאי ההתחלה או חוסר דיוק במדידות החיישנים, משולבות וגוררות הצטברות של שגיאות במיקום, במצב הזוויתי 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, בהרבה מקרים, במיל ימי לאחר שעת עבודה. טעות של 1.7 מיל ימי לשעת עבודה פירושה שלאחר שעה של פעולה, דיוק המנ"א הוא 1.7 מיל ימי. בשעה השנייה לפעולתה, אותה מנ"א שצברה 1.7 מיל ימי, תצבור שגיאות גדולות יותר. למערכות הנחשבות מדויקות דיוק של 0.6 מיל ימי לשעה במיקום ושל עשיריות מעלה לשעה באוריינטציה.

מנ"א אינה תלויה בנקודות ייחוס חיצוניות (למעט באתחול שלה), 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.

פירוט טכני

מערכות ניווט אינרציאליות כוללת מדי מהירות זוויתית ומדי תאוצה קווית, חלקן כוללות גירוסקופים המאפשרים התייחסות לאוריינטציה המוחלטת, לכיוון אליו פונה המערכת.

מדידים (IMU) 
מדי המהירות הזוויתית מודדים את המהירות הזוויתית של המערכת ביחס למערכת אינרציאלית. לרוב יימצא בכל מישור תנועה לפחות מד מהירות זוויתית אחד. התנועות הסיבוביות במישורי התנועה הן עלרוד (חרטום עולה או יורד), סבסוב (חרטום פונה ימינה או שמאלה) וגלגול (סיבוב בציר המקביל לכיוון ההתקדמות). קיימים מדי מהירות זוויתית או מדי מצב זוויתי מגוונים כגון: גירוסקופ תנודות, גירוסקופ כיפת תהודה, גירוסקופ מבוסס טבעת לייזר, גירוסקופ סיב אופטי ועוד.

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.

מחשב 
מחשב המחשב בקצב קבוע את מיקומה, מהירותה ומצבה הזוויתי של המערכת.

ראשית, מחושב המצב הזוויתי החדש על בסיס המדידות ממדי המהירות הזוויתית, במערכות מגומבלות המצב הזוויתי לא מחושב אלא נשמר יציב פיזית. לאחר מכן מחושבת המהירות על בסיס מדידות התאוצה הקווית ובקיזוז כוחות שלא נמדדים, למשל, כוח הכבידה המקומי משוערך על בסיס ידיעת המיקום, ומקוזז. לאחר מכן משולבת המהירות בחישוב המיקום הנוכחי.

במערכות המשלבות מעדכנים חיצוניים (ניווט משולב) משולבת המנ"א עם מערכות חיצוניות, למשל מערכות ניווט לווייניות בעזרת סינון דיגיטלי, אשר מתבצע במחשב המערכת. המנ"א מספקת מידע מיידי, והמערכת הלוויינית מתקנת את הטעויות המצטברות של המנ"א.

היעדרו של מחשב מקשה על בניית מנ"א. הצורך בהנחיה אינרציאלית לתוכנית אפולו ולטיל הבליסטי הבין־יבשתי מיניטמן דחף לניסיונות הראשונים למזעור מחשבים.

פלטפורמת ייצוב גימבלים 
אחת הדרכים לסידור חיישני תאוצה היא הצבת מדי התאוצה הקווית על פלטפורמה מיוצבת גירוסקופים בגימבלים (Gimbaled Gyrostabilized Platform). גימבלים הם שלוש (לפעמים ארבע) טבעות המחוברות זו לזו דרך מיסבים המונחים בדרך המציבה את הטבעות בזווית ישרה זו לזו. הגימבלים מאפשרים לפלטפורמה במרכזן להסתובב לכל כיוון (או במבט אחר, 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 הזוויות של המערכת (בסבסוב, בגלגול ובעלרוד) נעשית ישירות במיסבי הגימבלים. הוספת התאוצות הקוויות לחישוב נחשבת פשוטה יחסית שכן כיוון מדי התאוצה הקווית אינו משתנה ביחס למערכת האינרציאלית הראשונית.

ישנם שני חסרונות מרכזיים למערכת:
 חלקים מכניים - דורשים עיבוד והרכבה מדויקים ולכן הייצור יקר. בנוסף חלקים נעים נוטים לבלאי ולמעצורים.
 נעילת גימבל, הוא טכני ונכון גם למערכת מגומבלת מושלמת מבחינה מכנית. משמעות נעילת הגימבל היא שמדי התאוצה שמותקנים במרכז הגימבלים ישנו את מצבם הזוויתי ביחס למערכת האינרציאלית הראשונית, וממילא כל פתרון הניווט יפתח שגיאה גדולה מאוד. 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.

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 (strapdown systems) 
במערכת מקובעת, ה־IMU מחובר באופן קבוע ויציב לרכב אותו רוצים לנווט, כך שכל תנועה של הרכב, ובפרט תנועה סיבובית, מתרחשת גם ב־IMU באופן פיזי. זאת להבדיל מהמערכת המגומבלת שבה ה־IMU עצמו לא נע באופן סיבובי יחד עם הרכב אותו רוצים לנווט.

במערכות מקובעות, במקום שמירה על מצב זוויתי קבוע של מדי התאוצה (כפי שקורה במערכות מגומבלות), מתבצע חישוב של המצב הזוויתי הנוכחי וסיבוב של וקטור התאוצה (תוצר של מדידת מדי התאוצה). חישוב זה דורש עבודה דיגיטלית בקצב גבוהה ולכן רק הופעתם של מחשבים דיגיטליים קלי משקל איפשרו הקמת מערכות ניווט אינרציאליות מקובעות.

במערכות מקובעות יש פחות חלקים ממערכות מגומבלות ולכן הן זולות יותר. הן אינן פגיעות לנעילת גימבל והפעלתן דורשת פחות כיול. יש בהן פחות חלקים נעים ולכן אמינותן עולה.

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 במערכות שרמת הדיוק הנדרשת גבוהה, למשל בצוללות ובטילים בליסטיים בין־יבשתיים.

אוריינטציה מבוססת תנועה
אוריינטציה של מערכת ניווט אינרציאלית מקובעת יכולה להיקבע בעזרת מעקב אחרי נתוני הניווט של הפלטפורמה הנושאת אותה. בהנחה שכיוון התנועה של הפלטפורמה הוא כיוונה של המנ"א. 

הנחת זו לא בהכרח תקפה, למשל במקרים הבאים:
 מטוס אשר פועלת עליו רוח צד יפתח זווית החלקה ביחס לכיוון התנועה - הבדל בזווית הסבסוב. 
 מטוס שעל מנת להשיג כוח עילוי ינוע בזווית התקפה ביחס לכיוון התנועה - הבדל בזווית העלרוד.
מנ"א המצויה במערכת התלויה בזווית צידוד על כנף מטוס שפועלים עליו פיתול וכפיפה ביחס למבנה המטוס - הבדל בשלושה צירים.

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.

קישורים חיצוניים
 תיאור מערכות מדידה אינרציאלית, 1992
 תיאור מערכת מתוצרת תעשייה אווירית TNL-16

הערות שוליים

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
ניווט
גירוסקופים