НОЦ РАЦИОНАЛЬНОЕ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЕ

Ученые Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ) разработали алгоритмы для стабилизации параметров системы, которые позволят в несколько раз повысить точность навигационных систем для авиации, космонавтики, кораблей и подводных лодок, а также беспилотных летательных аппаратов.

Среди навигационного оборудования все популярнее становятся системы на основе инерциальных датчиков для автономного определения положения и ориентации объекта в пространстве. О они не зависят от внешних источников информации, а обеспечивают точное позиционирование, получая данные о положении объекта в трехосевой системе координат. Однако точность позиционирования устройств в пространстве во многом зависит от стабильности внутренних параметров. Скачки характеристик приводят к погрешностям, а значит, к некорректному определению местоположения объекта.

Предложенные учеными ПНИПУ метод стабилизирует выходные параметры навигационной системы до десятков миллионных долей, что в несколько раз меньше, чем без разработанных алгоритмов. Это позволяет всегда корректно определять положение в пространстве, даже при изменяющихся внешних условиях.

Инерциальная навигационная система — это модуль, состоящий из нескольких важных датчиков. Первый — волоконно-оптический гироскоп, с помощью которого можно определить угол наклона тела. Это дает информацию об ориентации объекта в пространстве: как он движется, меняет положение, снижается. Второе устройство — акселерометр, благодаря силе тяжести он помогает понять положение объекта относительно земли. В отличие от гироскопа, этот датчик сможет определить ориентацию тела, даже если оно находится без движения, так как знает, где находится земля.

Данные с этих устройств идут в микроконтроллер — небольшой компьютер, содержащий математические алгоритмы. Он обрабатывает полученную информацию, а потом выдает обработанные данные о положении объекта. Таким образом, например, происходит вычисление координат самолета, его курса, скорости и пройденного расстояния.

Волоконно-оптические датчики позволяют добиться высочайшей точности получения информации. Принцип их действия заключается в распространяющейся световой волне, которая многократно преломляется и передает сигнал аналогично электричеству. Но оптическое волокно может изменять свои характеристики в зависимости от внешних факторов, например, температуры. Так, при авиаперелетах в северных областях, когда техника выезжает из теплого помещения на улицу, внешняя температура сильно понижается. Скачки характеристик системы могут привести к накоплению ошибок и выдаче некорректных навигационных показаний. Это серьезная проблема, влияющая на точность устройства.

Для защиты от больших перепадов температуры необходима термоизоляция, однако она значительно увеличивает габариты устройства, из-за чего невозможно серийное производство. Но есть и алгоритмический способ регулировки характеристики источника излучения. Его и использовали ученые Пермского «политеха», стабилизировав такие параметры, как средневзвешенная длина волны и мощность источника излучения.

Ксения Никитина, аспирант кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ:

— Стабилизация необходима для снижения погрешности выходных характеристик системы. Чем меньше меняются средневзвешенная длина волны и мощность, то есть чем они стабильнее, тем выше точность навигационной системы. Это, в свою очередь, повлияет, например, на точность приземления самолета или определения движения ракеты. Мы разработали математические алгоритмы, которые корректируют эти параметры в микроконтроллере.

Средневзвешенная длина волны — это ключевой фактор, характеризующий точность. Ученые выяснили, что его начальное отклонение в зависимости от температуры составляет 1 нанометр. Но даже такая нестабильность приводит к ошибкам в выходном сигнале.

Экспериментальную часть работы политехники проводили на базе лаборатории перспективных исследований Пермской научно-производственной приборостроительной компании, где и планируется последующее внедрение разработанных алгоритмов. Ученые выявили зависимости средневзвешенной длины волны от значений внешней температуры и тока накачки лазера. На их основе разработали алгоритмы, позволяющие стабилизировать параметры на необходимом уровне.

Чтобы их применить, политехники модифицировали программу микроконтроллера. Теперь, когда от термодатчика в него поступает значение внешней температуры и применяется алгоритм ученых, микроконтроллер плавно изменяет ток так, чтобы поддерживать средневзвешенную длину волны в нужном диапазоне.

Владимир Фрейман, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ:

— Нам удалось снизить нестабильность параметра в несколько раз, что потенциально позволит в таком же соотношении повысить точность навигационной системы при применении разработанных алгоритмов. Но полученный результат — не предел. Мы еще ведем работы, по итогу которых ожидаем значительного улучшения.

Напомним, Пермский национальный исследовательский политехнический университет является участником Пермского НОЦ и ведет разработки в рамках одного из технологических проектов центра – «Передовые производственные технологии авиадвигателестроения». А одним из новых региональных проектов Пермского НОЦ является создание научно-производственного центра  беспилотных авиасистем.