¿Cómo pueden las aeronaves determinar el norte verdadero para los sistemas de navegación inercial?

¿Cómo se puede alinear una aeronave con el norte verdadero para una alineación adecuada del INS? ¿Las marcas en el lugar de estacionamiento son lo suficientemente buenas?

Un pequeño error de 0,5° en el rumbo supuesto se traduce en un error de 10 NM en la posición calculada en la distancia Madrid-Montreal (3.000 NM). Como se deben tener en cuenta muchos otros errores, se debe conocer el norte en mayor grado para lograr esta precisión, y también se espera una mejor precisión. Esto no se puede hacer usando marcas simples.

Pero el norte verdadero está relacionado con el eje de giro de la Tierra, que puede ser detectado con precisión por un INS usando un giroscopio.

Los sistemas inerciales pertenecen a dos familias: plataforma y strapdown:

• En la plataforma INS (PINS), los acelerómetros y giroscopios están montados en una plataforma cardán que se mantiene nivelada y orientada hacia el norte mediante motores de par impulsados ​​por salidas de giroscopios.

• En strapdown INS (SINS), estos sensores están firmemente fijados en la aeronave.

Los PINS utilizan principalmente ruedas de impulso . Los giroscopios recientes son SINS y no están basados ​​en la inercia, generalmente miden las diferencias de longitud creadas por el efecto Sagnac ( fibra óptica , láser de anillo , acústica ...):

^{Giroscopios láser de anillo en el sistema de navegación AN/WSN-7 de la Marina de los EE. UU. ( fuente )}

Independientemente del tipo, la alineación es similar y consiste en detectar el eje de giro y la gravedad de la Tierra, y tiene dos aspectos: nivelación y luego girocompás.

Principio de alineación

Disposición de acelerómetros y giroscopios en un sistema inercial, y orientación final:

Arrasamiento

Los ejes que al final apuntarán al norte y al este se nivelan en un primer paso inclinando el conjunto. La nivelación solo involucra acelerómetros y gravedad.

La nivelación es real para PINS, le da a la plataforma su orientación de trabajo, que se encuentra poniendo a cero las salidas del acelerómetro norte y este mientras la unidad está estacionaria. Después de la alineación, los acelerómetros pueden detectar directamente las aceleraciones en las direcciones norte, este y ascendente.

La nivelación es virtual (software) para SINS. Consiste en evaluar la orientación inicial para construir una matriz de transformación. Esta matriz se utiliza para proyectar los valores emitidos por los sensores inclinados sobre una plataforma de nivel virtual. Luego, la matriz se actualiza constantemente con cambios de orientación detectados por giroscopios.

girocompás

Así mismo la nivelación, el girocompás es real o virtual según el tipo de sistema inercial. El objetivo de la brújula giroscópica es determinar el norte verdadero usando giroscopios.

Después de nivelar, para un avión estacionario, los giroscopios norte y este (designados X e Y a continuación) detectan solo la rotación de la Tierra, en cantidades que dependen de su orientación relativa al eje de giro de la Tierra:

• En la imagen de la izquierda, el giroscopio X detecta completamente los efectos de rotación de la Tierra, ya que está alineado con el eje de giro, el giroscopio Y no detecta ninguna rotación.
• En la imagen del medio, el sistema se ha girado 90°, el resultado se invierte.
• La imagen de la derecha muestra el caso general: Ambos giroscopios detectan la velocidad de rotación de la Tierra, pero en cantidades que dependen del rumbo. X detecta una tasa proporcional al coseno del rumbo, Y una tasa proporcional al seno.

Encontrar el norte se realiza girando (rotación virtual para SINS) el ensamblaje nivelado sobre el eje vertical hasta que la salida del giroscopio este sea nula, lo que significa que su eje apunta hacia el este o el oeste. Esta ambigüedad se elimina detectando la dirección de rotación en el otro eje que ahora apunta al norte o al sur.

La detección de la velocidad terrestre depende del (coseno del) ángulo de latitud:

^{Detección de la tasa de rotación de la Tierra por un sistema inercial en función de la latitud}

Combinando lo que expusimos anteriormente, las tasas detectadas Rx y Ry están dadas por:

• $\omega$es la constante para la velocidad de giro de la Tierra,$\approx 15$°/hora (360° en un día sideral ),
• $\phi$es la latitud,
• $\alpha$es el rumbo de la aeronave (o del eje de referencia).

Con dos ecuaciones lineales para dos incógnitas, encontrar la latitud y el rumbo es sencillo, la única condición es que se conozcan Rx y Ry. Ahí es donde aprieta el zapato. El girocompás es realmente difícil y lento.

La aplicación real del principio es un desafío

Si bien el principio es simple, es difícil medir Rx y Ry. La razón es$\omega$es minúscula (0,004°/s), las medidas deben repetirse durante un tiempo significativo. Cinco minutos son suficientes en el ecuador, pero veinte minutos no son inusuales a 45° de latitud.

El piloto puede proporcionar la latitud aproximada actual para permitir que este proceso converja más rápidamente.

^{Boeing 737, página FMS utilizada para ingresar la estimación de posición inicial para acelerar el girocompás}

Fusión de sensores, alineación en movimiento y pérdida de alineación

La alineación puede facilitarse y las medidas posteriores pueden mejorarse mediante la asociación de fuentes de datos adicionales y la fusión de fuentes después de filtrar la divergencia excesiva, esto se conoce como fusión de sensores e hibridación IRS/GNSS. Estas fuentes incluyen GNSS (posición y velocidad Doppler), magnetómetros, datos aéreos, incluso velocidades Doppler de objetivos conocidos, pero eso es más para vehículos submarinos que reemplazan a GNSS.

Las diferentes fuentes permiten mantener la deriva acumulada natural asociada con el proceso de integración, que es fundamental para el posicionamiento inercial, por debajo de algún umbral, por ejemplo, umbrales fijados por los procedimientos de rendimiento de navegación requeridos.

En algunas condiciones, el sistema de inercia puede incluso realinearse en vuelo desde la posición GNSS y la velocidad Doppler (p. ej., Northrop Grumman LCR-110 ). Tal alineación en vuelo debería ser común en el futuro.

El nivel y la orientación norte se mantienen después de la alineación ajustando la orientación y compensando los cambios de orientación de la aeronave detectados. Por lo tanto, la alineación sideral no se mantiene.

La mayoría de los sistemas inerciales no se pueden realinear en movimiento, pero se pueden volver a nivelar y, aunque la dirección norte y la posición no se pueden recuperar, el sistema aún puede proporcionar la actitud de la aeronave (modo ATT).

^{Los dos interruptores IRS en la posición normal (navegación) ( fuente )}