Применение изделий микросистемной техники в инерциальных навигационных системах

УДК 623.61:621.391

ПРИМЕНЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ В ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

А.Ю. КОСТРОМИН

Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Козловым А.И.

Приведены основные принципы построения и работы инерциальных навигационных систем. Дано определение и краткое описание микроэлектромеханических систем. Приведён пример применения изделий микросистем-ной техники в малогабаритной инерциальной навигационной системе.

Ключевые слова: навигационные системы, системная техника.

Под инерциальной навигацией понимают метод определения координат и параметров движения различных объектов (судов, самолётов, ракет и др.), а также способ управления их движением, основанный на свойствах инерции тел, при помощи автономных акселерометров и гироскопов. Система отсчёта курса, более известная, как AHRS или инерциальная курсовертикаль (ИКВ), являются трёхосными датчиками, предоставляющими информацию о направлении, угловом пространственном положении и повороте в горизонтальной плоскости объекта, передвигающегося в пространстве.

Инерциальная курсовертикаль - это прибор, позволяющий получать данные об углах между географической системой координат (ГСК) и связной системой координат (ССК). Начальная точка данной системы совпадает с начальной точкой ГСК. Технически курсовертикаль чаще всего реализуется как гировертикаль и датчик курса, также сделанный на основе гироскопа и иногда корректируемый, например, показаниями приёмника GPS.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. МЭМС устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромехани-ческих элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра до 100 микрометров, тогда как размеры кристалла МЭМС микросхемы имеют размеры от 20 микрометров до одного миллиметра.

В настоящее время МЭМС технологии уже применяются для изготовления различных микросхем. Так, МЭМС-осцилляторы в некоторых применениях заменяют кварцевые генераторы. МЭМС технологии применяются для создания разнообразных миниатюрных датчиков, таких как акселерометры, датчики угловых скоростей, гироскопы, магнитометрические датчики, барометрические датчики, анализаторы среды (например, для оперативного анализа крови).

МЭМС технология может быть реализована с использованием целого ряда различных материалов и технологий производства, выбор которых будет зависеть от создаваемого устройства и рыночного сектора, в котором он должен работать.

В настоящее время интенсивно ведутся разработки систем, превосходящих традиционные механические гироскопические пилотажные приборы по надёжности и точности измерений. Подобные приборы строятся на основе твердотельных или МЭМС-гироскопов, акселерометров и магнитометров. В некоторых системах применяются приёмники GPS для улучшения долговременной стабильности гироскопов и фильтры Кальмана, позволяющие получать оптимальную оценку системных переменных по выполненным измерениям.

Назначение акселерометра в таких системах - обеспечение начального отсчёта углового положения (выравнивание) и коррекция пространственного положения во время полёта путём

исправления дрейфа гироскопа. На сегодняшний день на рынке существуют различные типы подобных навигационных систем.

Примером такой системы является малогабаритная интегрированная инерциальная навигационная система (МИНС) «КомпаНав-2», разработанная ООО «ТеКнол».

По-видимому, это первый отечественный продукт мирового уровня на MEMS датчиках. В настоящее время микроэлектромеханическая технология произвела революцию в тех областях современной техники, где она внедрена, и авионика не является исключением. MEMS система на порядок дешевле и в несколько раз компактнее традиционных механических систем.

Один блок карманного размера выдаёт информацию, эквивалентную нескольким стандартным авиационным приборам: авиагоризонт, индикатор курса, указатель скольжения и угловой скорости разворота, высотомер, вариометр, указатель путевой скорости, датчик текущих координат местоположения летательного аппарата.

При этом размеры навигационного блока - 125х80х57 мм, вес - менее 0,6кг.

В 2009 году были проведены испытания навигационной системы «КомпаНав-2» на истребителе-перехватчике Су-27СМ. В ходе испытаний система продемонстрировала свою работоспособность во всех режимах полёта летательного аппарата, во время и после выполнения маневрирования как с коррекцией от спутниковой навигационной системы (СНС), так и с коррекцией от системы воздушных сигналов (СВС).

На основании проведённых испытательных полётов был сделан вывод, что динамические характеристики системы не уступают характеристикам штатной инерциальной навигационной системы самолёта Су-27СМ.

Этот пример наглядно демонстрирует перспективность применения изделий микросистем-ной техники при решении задач инерциальной навигации.

ЛИТЕРАТУРА

1. MEMS and Nanotechnology Exchange. - www.mems-exchange.org.

2. КомпаНав-2 - http://www.teknol.ru.

APPLICATION OF PRODUCTS OF MICROSYSTEM TECHNICS IN INERTIAL NAVIGATING SYSTEMS

Kostromin A.Y.

Main principles of construction and work of inertial navigating systems are resulted. Definition and the short description systems is made. The example of application of products of microsystem technics in small-sized inertial navigating system is resulted.

Key words: navigating systems, system engineering.

Сведения об авторе

Костромин Алексей Юрьевич, 1986 г.р., окончил Институт криптографии, связи и информатики Академии ФСБ России (2009), сотрудник ФГОУ ВПО Академии ФСБ России, автор 4 научных работ, область научных интересов - защита информации, радиоэлектронные системы и микросистемная техника.