nawigacja inercyjna na OP

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK XLX NR 3 (178) 2009

7

A n d r z e j F e l s k i A l e k s a n d e r N o w a k A k a d e m i a M a r y n a r k i W o j e n n e j

M E T O D A W E R Y F I K A C J I S Y S T E M U N A W I G A C J I I N E R C J A L N E J

N A O K RC I E P O D W O D N Y M

STRESZCZENIE

W artykule przedstawiono propozycj metody weryfikacji funkcjonowania systemu nawi-gacji inercjalnej na okrcie podwodnym na przykadzie systemu MINS-1. Prby przeprowadzono w pooeniu nawodnym i podwodnym. Jako system odniesienia wykorzystano DGPS LF/MF, przy czym korekty rnicowe odbierano z morskiej stacji referencyjnej znajdujcej si na Rozewiu. Porwnano wartoci prdkoci i kursw okrelonych przez MINS-1 ze wskazaniami logu hydrody-namicznego oraz yrokompasw Anschtz i GKU-2.

Sowa kluczowe: nawigacja inercjalna, yroskop laserowy, nawigacja podwodna.

WSTP

Okrty podwodne w zanurzeniu maj ograniczone moliwoci okrelania pozycji obserwowanej. Co prawda moliwe jest wypuszczenie na pawce anteny satelitarnego systemu nawigacyjnego (GNSS), jednak dziaanie takie moe zdradzi pooenie okrtu. W zwizku z tym wspczesne okrty podwodne wyposaane s w systemy nawigacji inercjalnej (INS), ktre okrelaj biec pozycj okrtu w sto-sunku do pozycji pocztkowej (zadanej) metod zliczenia, dla ktrego argumentami s, mierzone w sposb cigy, przyspieszenia w trzech osiach ortokartezjaskiego lokalnego ukadu wsprzdnych realizowanego za porednictwem yroskopw. Zmierzone wartoci transformowane s do geograficznego ukadu wsprzdnych i finalnie nawigator otrzymuje informacj o kursie i prdkoci okrtu, jego biecej pozycji oraz dane dotyczce koysania i nurzania. Pozycja wyznaczona przez INS

Andrzej Felski, Aleksander Nowak

8 Zeszyty Naukowe AMW

jest pozycj zliczon, w zwizku z tym jej dokadno maleje wykadniczo z upy-wem czasu. Dzieje si tak midzy innymi dlatego, e na wartoci pomiarw przy-spiesze wpywa nie tylko ruch jednostki, ale take ruch Ziemi oraz siy zwizane z ruchem i oddziaywaniem Ziemi, Soca, Ksiyca i planet. Wyniki s rwnie zalene od jakoci zastosowanych sensorw oraz algorytmw i aparatury przetwa-rzajcej te dane [1, 3]. Z tego wzgldu systemy nawigacji inercjalnej charakteryzuj si ograniczonym czasem pracy w trybie nawigacji autonomicznej konieczne jest okresowe korygowanie pozycji (ponowne wprowadzenie pozycji pocztkowej). Zatem czas do osignicia maksymalnej dopuszczalnej wartoci bdu pozycji bd maksymalna warto bdu pozycji po upywie okrelonego czasu staj si gwny-mi kryteriami przydatnoci danego systemu nawigacji inercjalnej. Jest to przyczyn, dla ktrej znajomo zmian dokadnoci systemu INS ma dla praktyki nawigacyjnej kapitalne znaczenie. Zadanie jest szczeglnie istotne dla okrtu podwodnego w za-nurzeniu, gdy INS staje si zasadniczym rdem informacji nawigacyjnej. Jedno-czenie brak jest moliwoci weryfikacji jego wskaza w tych warunkach. Celem referowanych bada byo okrelenie zmian wartoci bdu wyznaczanych przez INS wsprzdnych pozycji, kursu i prdkoci w funkcji jego autonomicznej pracy.

SYSTEM NAWIGACJI INERCJALNEJ MINS-1

Producentem systemu MINS-1 (ktrego moduy przedstawiono na rysunku 1.) jest firma Raytheon Anschtz. Podstawowym moduem systemu jest modu iner-cjalny (DRU Dynamic Reference Unit), ktrego zasadniczym elementem, poza ukadami elektronicznymi, jest zesp sensorw:

trzy precyzyjne akcelerometry; trzy yroskopy laserowe typu RLG.

System MINS-1 moe pracowa w czterech trybach:

nawigacja z systemem GPS i logiem; nawigacja z systemem GPS; nawigacja z logiem; nawigacja autonomiczna (tylko nawigacja inercjalna bez GPS i logu).

Zalenie od przyjtego trybu uzyskuje si rne dokadnoci. W przypadku wsppracy z logiem i odbiornikiem GPS producent zapewnia nastpujce dokadnoci:

Kurs: 3.0 * sec (RMS) Przechyy (wzdune i poprzeczne) 1.14 (RMS) Pozycja

Metoda weryfikacji systemu nawigacji inercjalnej na okrcie podwodnym

3 (178) 2009 9

Dokadnoci te gwarantowane s w przedziale szerokoci geograficznych poniej 85 przy zaoeniu, i bd logu nie przekracza 0,5w. Dla pozostaych kon-figuracji zmienia si dokadno pozycji i wartoci te s kadorazowo negocjowane w kontrakcie. W tym przypadku oczekiwano, e w trybie autonomicznym, po upy-wie 12 godzin, bd pozycji nie przekroczy 2Mm. Celem eksperymentu byo spraw-dzenie tej wartoci.

PR

DK

O

(LO

G)

POZY

CJA

(GPS

)

NM

EA

SYGNA

DA

NE

TEST

PANEL STEROWANIA

MODU WYMIANY DANYCH

MODUPRZETWORNIKA

CYFROWO-SYNCHRONICZNEG

MODU INERCJALNY

Rys. 1. Schemat blokowy systemu MINS-1 oraz sposb poczenia komputera rejestrujcego:

ICU Interface and Connection Unit, DSCU Digital Signal Converter Unit, MINS Marine Inertial Navigation System

PRZEBIEG EKSPERYMENTU

Eksperyment zrealizowano na Zatoce Gdaskiej w korzystnych warunkach meteorologicznych. Stan morza nie przekracza trzech stopni przy wiatrach zmien-nych. Okrt wyposaony by w nastpujce urzdzenia nawigacyjne:

odbiornik DGPS; yrokompas Anschtz Standard 20; yrokompas GKU-2; log hydrodynamiczny MG.



Jako system odniesienia zastosowano DGPS LF/MF, z korektami rnicowymi otrzymywanymi ze stacji referencyjnej ROZEWIE, zapewniajcy okrelenie pozycji z bdem rednim 3 m [2]. W trakcie prb morskich porwnywano wsprzdne pozycji, wartoci kursw i prdkoci okrelonych za pomoc DGPS, MINS-1 oraz pozostae urzdzenia nawigacyjne (log i yrokompasy). Dane z odbiornika DGPS i MINS-1 rejestrowano w sposb automatyczny przy uyciu komputera podczonego do obu urzdze dedykowanym kablem dostarczonym przez przedstawiciela producenta. Do zapisywania danych z yrokompasw i logu wyznaczono czonkw zaogi. Wszystkie dane rejestrowano w interwale 10 minut. Dowiadczenie rozpoczto 26 marca 2008 roku o godzinie 10.00. Do godziny 13.00 okrt szed w pooeniu nawodnym. O 13.00 zanu-rzono go na gboko peryskopow. Od godziny 19.00 do 22.00 prby przeprowadzono ponownie w pooeniu nawodnym. Gboko zanurzenia uwarunkowana bya moliwo-ciami wysunicia ponad lustro wody anteny odbiornika DGPS. Prdko jednostki w trakcie prb wahaa si w granicach 45 wzw (poza momentami zanurzania i wynu-rzania), a kursy byy zmienne. Tras prby zarejestrowan za pomoc odbiornika DGPS LF/MF oraz wartoci kursw i prdkoci przedstawiono na poniszych rysunkach.

Prdko okrtu (DGPS LF/MF)

0

1

2

3

4

5

6

09:36 14:24 19:12 00:00

Czas

Prd

ko

[wzy

]

Kurs okrtu (DGPS LF/MF)

0

50

100

150

200

250

300

350

09:36 14:24 19:12 00:00

Czas

Kurs

[sto

pnie

]

Rys. 2. Trasa prby, kursy i prdkoci okrtu


3 (178) 2009 11

WYNIKI EKSPERYMENTU

Wyniki przeprowadzonych prb analizowano pod ktem zgodnoci wskaza kursu i prdkoci oraz wyznacze pozycji przez system MINS-1 pracujcy w trybie autonomicznym z innymi przyrzdami. Na potrzeby niniejszej publikacji wyniki eksperymentu przedstawiono w formie graficznej, przy czym za system wzorcowy przyjto DGPS LF/MF. Rezultaty podzielono na nastpujce grupy:

rnice wyznacze wsprzdnych pozycji przez MINS-1 (szerokoci i dugoci geograficznej oraz pozycji zliczonej);

rnice wyznacze kursu; rnice wyznacze prdkoci.

Poszczeglne bdy porwnano z odpowiednimi bdami wskaza pozosta-ych urzdze nawigacyjnych (yrokompasw i logu).

D o k a d n o w y z n a c z e n i a p o z y c j i o k r t u

Na poniszych wykresach zaprezentowano rnice pomidzy dugoci i szerokoci geograficzn oraz wsprzdnymi pozycji wyznaczonymi za pomoc DGPS LF/MF oraz MINS-1.

Bd wyznaczenia szerokoci geograficznej

-1200,0

-700,0

-200,0

300,0

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Czas

B

d Fi

[m]

Rys. 3. Bdy wyznacze szerokoci geograficznej przez INS MINS-1 w funkcji czasu

Bd wyznaczenia dugoci geograficznej

-1200,0

-700,0

-200,0

300,0

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Czas

B

d La

[m]

Rys. 4. Bdy wyznacze szerokoci i dugoci geograficznej przez MINS-1 w funkcji czasu



Bd wyznaczenia wsprzdnych pozycji

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

1000,0

1200,0

1400,0

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Czas

B

d po

zycj

i [m

]

Rys. 5. Bdy wyznacze wsprzdnych pozycji przez MINS-1 w funkcji czasu

Rysunek 6. przedstawia rozkad bdw wyznacze wsprzdnych pozycji przez MINS-1 w trakcie przeprowadzonych prb morskich.

ROZKAD BDU POZYCJI systemu MINS-1

-1400,0

-1200,0

-1000,0

-800,0

-600,0

-400,0

-200,0

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

-1500,0 -1000,0 -500,0 0,0 500,0 1000,0

BD La [m]

B

D F

i [m

]

Rys. 6. Rozkad bdw wyznacze pozycji przez MINS-1

Przeprowadzony eksperyment potwierdzi, i rzeczywiste bdy wyznacze

wsprzdnych pozycji przez systemy nawigacji inercjalnej zachowuj si zgodnie z zaoeniami teoretycznymi [1], tzn. bd zliczenia oscyluje z okresem Schulera (ok. 84 min.) i ronie w czasie. Ponadto wyniki prb wykazay, e bd w wyznaczeniu pozycji przez MINS-1 nie przekroczy 1 mili morskiej po 12 godzinach pracy w trybie


3 (178) 2009 13

nawigacji autonomicznej, potwierdzajc tym poprawno montau i kalibracji urz-dzenia przez dostawc systemu (przedstawiciel producenta gwarantowa, e w tym czasie bd nie przekroczy 2 mil morskich). Na marginesie wspomnie naley, i dokadnoci osigane przez system MINS-1 nie do koca satysfakcjonoway zaog okrtu, ktra oczekiwaa, e MINS-1 bdzie zamiennikiem podwodnym systemu GPS. Argumentowali, e z porwnywaln dokadnoci pozycj wyznacza nawiga-tor metod zliczenia, wykorzystujc informacj o kursie i prdkoci z klasycznych urzdze nawigacyjnych (yrokompasw i logu).

D o k a d n o w y z n a c z e k u r s u i p r d k o c i o k r t u

Na poniszych wykresach zaprezentowano bdy wyznacze kursu i prdkoci okrtu. Za bd danej wartoci przyjto rnic wskaza pomidzy INS MINS-1 a wskazaniami odbiornika DGPS LF/MF. Zaoono, e nie wystpuje znos, co dao pod-stawy do porwnywania kursu z ktem drogi nad dnem okrelanym przez system DGPS oraz prdkoci po wodzie z prdkoci wzgldem dna okrelan przez DGPS. Zaoenie to wydaje si by prawdopodobne, bowiem nie zaobserwowano skadowej systema-tycznej w krzywych okrelajcych odpowiednie rnice porwnywanych wielkoci.

Bd wyznaczenia prdkoci okrtu (MINS-1 - DGPS)

-0,7-0,5-0,3-0,10,10,30,50,70,91,1

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Czas

B

d prd

koc

i [wz

y]

Rys. 7. Bdy wyznacze prdkoci przez MINS-1 w funkcji czasu

Bd wyznaczenia kursu okrtu (MINS-1 - DGPS)

-2,5

-1,5

-0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Czas

B

d ku

rsu

[sto

pnie

]

Rys. 8. Bdy wyznacze kursw przez MINS-1 w funkcji czasu



Z przedstawionych wykresw wynika, e rnica wskaza prdkoci okrtu pomidzy odbiornikiem DGPS LF/MF a MINS-1 nie przekraczaa 1 wza, nato-miast kursu 3,5 stopnia. W celach porwnawczych na poniszych wykresach przed-stawiono wskazania prdkoci wyznaczone przez MINS-1, odbiornik DGPS LF/MF i log hydrodynamiczny MG. Na rysunkach 11. i 12. zaprezentowano natomiast wskazania kursu przez odbiornik DGPS LF/MF, yrokompasy Anschtz i GKU-2 oraz INS MINS-1, a take ich bdy wzgldem odbiornika DGPS LF/MF.

Wskazania prdkoci okrtu

0

1

2

3

4

5

6

7

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Czas

Pr

dko

[wz

y]

MINS-1DGPSMG

Rys. 9. Wskazania prdkoci przez poszczeglne urzdzenia nawigacyjne

Bdy wskaza prdkoci okrtu

-1

-0,5

0

0,5

1

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Czas

B

dy p

rdk

o

[wz

y]

MINS-1MG

Rys. 10. Rnice prdkoci wzgldem odbiornika DGPS LF/MF w funkcji czasu

Wskazania kursu okrtu

0

50

100

150

200

250

300

350

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Czas

Kur

s [s

topn

ie]

MINS-1DGPSGKU-2Anschutz

Rys. 11. Wskazania kursw przez poszczeglne urzdzenia nawigacyjne


3 (178) 2009 15

Bdy wskaza kursu okrtu

-6

-4

-2

0

2

4

6

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Czas

Bd

kur

su [s

topn

ie]

MINS-1GKU-2Anschutz

Rys. 12. Rnice wskaza kursu wzgldem odbiornika DGPS LF/MF

Z przedstawionych wykresw wynika, e kursy i prdkoci wyznaczane

przez MINS-1 w trybie nawigacji autonomicznej maj podobny poziom dokadnoci co wartoci wskazywane przez odpowiednie urzdzenia nawigacyjne. Potwierdza to rwnie porwnanie bdw pozycji zliczonych okrelonych przez MINS-1 i nawi-gatora okrtowego. W jednym i drugim przypadku nie przekroczyy one 1 mili mor-skiej w takcie 12-godzinnego testu. Przy okazji eksperymentu zwrcono uwag, e wskazania obu yrokompasw zamontowanych na okrcie wykazuj sta rnic wzgldem wzorca (DGPS), a take MINS (co najmniej 1), co moe oznacza po-trzeb skorygowania ustawienia obu i powinno by uwzgldniane w procesie pro-wadzenia nawigacji jako poprawka yrokompasu.

WNIOSKI

Zasadniczym celem referowanych prb byo sprawdzenie, czy system MINS-1 zamontowany na badanym okrcie zosta poprawnie zainstalowany i skalibrowany przez dostawc. W trakcie testw obejmujcych okres 12-godzinnej pracy w trybie autonomicznej nawigacji bdy wyznacze pozycji mieciy si w przyjtych grani-cach, a maksymalny bd pozycji by o poow mniejszy od zaoonej wartoci. Poza zadaniem usugowym testy byy okazj do zdobycia dowiadczenia w zakresie eks-ploatacji wspczesnych systemw inercjalnych opartych na yroskopach laserowych RLG. Potwierdzono wiedz literaturow na temat inercjalnych systemw nawigacyj-nych co do zasad oglnych, a ponadto stwierdzono, i dokadnoci wyznacze przez MINS-1 kursw i prdkoci s porwnywalne z dokadnoci klasycznych urzdze nawigacyjnych (yrokompasy i logi), co sprawia, e dokadnoci pozycji zliczonych przez INS i nawigatora s na podobnym poziomie. Zatem mimo tego, e system nie jest tak dokadny, jak yczyaby sobie tego zaoga okrtu, z powodzeniem moe ua-twi i usprawni prowadzenie nawigacji w pooeniu podwodnym, odciajc nawiga-tora od mudnego zliczenia drogi, szczeglnie w trakcie manewrw.



BIBLIOGRAFIA

[1] Farrell J. A., Barth M., The Global Positioning System & Inertial Navigation, McGraw-Hill, 1999.

[2] Specht C., System Satelitarny GPS, Bernardinum, Gdask 2007.

[3] Yilin Z., Vehicle Location and Navigation Systems, Artech House, Inc. Boston, London 1997.

M E T H O D U S E D T O V E R I F Y I N E R T I A L N A V I G A T I O N S Y S T E M

A B O A R D S U B M A R I N E

ABSTRACT

The paper presents a method to be used to verify functioning of inertial navigation sys-tem aboard a submarine based on system MINS-1 as an example. Trials were carried out on surface and under water. DGPS LF/MF was used as a referential system, where corrections were received from a maritime referential station situated in Rozewie. The values of speed and course recorded with MINS-1 were compared with readings on a hydrodynamic log and gyrocompasses Anschtz and GKU-2.

Keywords: inertial navigation, laser gyroscope, underwater navigation.

Recenzent kmdr dr hab. in. Cezary Specht, prof. AMW

nawigacja inercyjna na OP

Documents

Transcript of nawigacja inercyjna na OP