Создание и дальнейшее разавитие отечественных корабельных инерциальных навигационных систем

Инерциальные навигационные системы (ИНС) стали в настоящее время обычным видом навигационного оборудования, обеспечивающим использование корабельного оружия и высокую точность кораблевождения, в том числе и в полярных широтах. Но еще несколько десятилетий назад некоторые авторитетные специалисты в области морского приборостроения категорически отрицали возможность создания не только ИНС, но и других автономных измерителей скорости и пройденного расстояния относительно Земли с приемлемыми характеристиками. Однако развернувшееся проектирование и строительство подводных лодок с атомными энергетическими установками и оснащение их ракетным оружием стратегического назначения обусловили необходимость достижения нового, существенно более высокого, уровня точности выработки навигационных и динамических параметров без ущерба для скрытности в любых широтах на длительных интервалах времени.

Стало очевидным, что имеющиеся автономные средства (относительные лаги, гирокомпасы, гироазимуты, гировертикали) не могут обеспечить решение этой проблемы. Возникла необходимость создания принципиально новых измерителей параметров движения корабля относительно Земли.

Поиск рациональных путей создания "абсолютного" измерителя скорости и существенного повышения точности выработки курса, выполненный в Институте (Е.А.Ананченко, В.А.Каракашев, Г.А.Левит, 1957 г.), показал перспективность разработки ИНС и гидроакустического лага (ГАЛ), что послужило импульсом к развертыванию работ в этих направлениях.

Дальнейшие теоретические работы Института в области морских ИНС определили основные задачи, подлежащие решению: развитие теории ИНС, разработка основных чувствительных элементов с соответствующими точностными и надежностными характеристиками, обеспечение возможности использования цифровой вычислительной техники в контурах управления гироскопическими приборами. При этом наиболее остро стоял вопрос о гироскопах. Точностные параметры существовавших в то время поплавковых гироскопов, а также шаровых гироскопов с аэродинамическим и аэростатическим подвесами ротора были на один-два порядка ниже требуемых.

Попытки сотрудников Института обеспечить в промышленности необходимый фронт работ по созданию ИНС для ВМФ в течении ряда лет успеха не имели, что объясняется сложностью подлежавших решению технических проблем, отсутствием необходимой элементной базы, недостаточным теоретическим заделом и рядом обстоятельств субъективного характера. Поэтому, когда в мае 1960 г. по инициативе И.Д.Блюмина коллективы НИИ-944 и завода 706 МСП предложили разработать и испытать в натурных условиях корабельный комплекс инерциальной навигации (КИН) на базе ракетного автоштурмана, эта идея получила всестороннюю поддержку Института и Управления Гидрографической службы ВМФ.

Предполагалось экспериментально проверить ряд теоретических положений о временной и широтной зависимостях погрешностей КИН, об эксплуатационных свойствах поплавковых приборов в морских условиях, накопить опыт монтажа и начальной выставки ИНС на корабле, а также оценить возможность использования различных средств определения поправок к выходным навигационным параметрам.

Комплекс инерциальной навигации состоял из трех одинаковых ИНС с гиростабилизированными платформами (ГСП) на управляемых гироскопах и предназначался для выработки координат местоположения и курса в высоких широтах. В системах предусматривался ввод сигналов на датчики момента гироскопов для компенсации влияния угловой скорости вращения Земли. В качестве основных элементов использовались двухстепенные поплавковые гироскопы КИ99-6А и поплавковые двойные интеграторы линейных ускорений КИ99-7А. Для уменьшения погрешностей, связанных с изменением положения гироскопов относительно гравитационного поля Земли, каждая ИНС была ориентирована таким образом, чтобы в средней точке предстоящего маршрута (точке "ложного полюса") ГСП моделировали плоскость горизонта, а во всем остальном районе плавания их негоризонтальность не превышала 10° . Цифровые вычислительно-управляющие машины, как отмечалось, в те годы еще не получили достаточного развития. Максимальная простота аналогового счетнорешающего устройства была обеспечена схемным решением и выбором меридианального маршрута. Переход от координат КИН к географическим и обратно осуществлялся с помощью специального планшета, созданного в кратчайшие сроки совместными усилиями подразделения абсолютных измерителей скорости Института и ЦКП ВМФ.

Мореходные испытания были проведены в период с 26 по 31 октября 1961 г. в диапазоне широт 69–80° . Плавание осуществлялось генеральным курсом Nord до кромки льдов и в обратном направлении со скоростью 18–20 уз.

Принимая во внимание характеристики основных чувствительных элементов, использование внутреннего демпфирования шулеровских колебаний и отсутствие демпфирования суточного контура, а также неучет скорости корабля в сигналах управления ГСП и ряда других воздействий, высокие точностные параметры не могли быть достигнуты. Однако проведенные испытания имели определенные положительные результаты. В частности, были подтверждены возможность построения морских ИНС на поплавковых чувствительных элементах, необходимость демпфирования шулерского и суточного контуров с использованием внешней информации, а также совершенствования основной элементной базы ИНС и вычислительной техники.

Для привлечения организаций промышленности и институтов АН СССР к созданию принципиально новых высокоточных чувствительных элементов ИНС по инициативе Гос.НИНГИ и при содействии Института Автоматики и Телемеханики АН СССР в 1961 г.при Отделении Технических наук АН СССР был организован Научный совет по проблеме "Научные основы построения систем навигации и автоматических устройств с применением новых физических явлений", который возглавил видный ученый – академик Б.Н.Петров. В состав Совета от ВМФ вошли В.Д.Теплов, Е.А.Ананченко и Г.А.Левит. С 1962 г. в работе Совета и его секций принимал участие П.И.Малеев. Деятельность Совета сыграла положительную роль в решении поставленных задач.

В 1962 г. в НИИ-346 МСП был создан экспериментальный образец ИНС полуаналитического типа "Уран". Проведенные стендовые испытания позволили осуществить выбор наиболее рациональных коэффициентов демпфирования собственных колебаний системы, выявили существенное влияние румба и ряда других источников погрешностей на точностные характеристики системы. Их результаты были использованы в дальнейшем в ЦНИИ" Дельфин" при разработке ИНС "Тавда" для навигационного комплекса (НК) "Тобол" (главный конструктор О.В.Кищенков). Опытные образцы ИНС "Тавда" (главный конструктор В.С.Зябрев) в составе НК "Тобол" в 1970 г. прошли испытания сначала на заводе-изготовителе, а затем на опытовом судне и подводной лодке. Принимавшие в них участие сотрудники Института И.А.Кукулевский, Г.А.Левит и А.Ю.Морозов использовали накопленный опыт и полученные статистические материалы для отработки методических рекомендаций штурманскому составу и соответствующих инструкций по эксплуатации НК, а также в дальнейших исследованиях, направленных на повышение тактико-технических характеристик ИНС.

Использование ИНС "Тавда" и ее модификации "Иртыш" совместно с ГАЛ в НК "Тобол" 1-го и 2-го поколений позволило обеспечить необходимую точность выработки выходных параметров. В частности, погрешности курсоуказания были снижены на порядок и более по сравнению с ранее достигнутым уровнем. Однако инерциальный режим выработки координат места не обеспечивал требуемые точности. Поэтому основной режим работы НК типа "Тобол" в части хранения местоположения представлял собой режим счисления координат по составляющим линейной скорости, вырабатываемым ИНС с периодической коррекцией по данным ГАЛ.

Начиная с 1959 г. усилия по созданию корабельной ИНС предпринимались и в ЦНИИ "Электроприбор". В 1963 г. прошли морские испытания экспериментальные образцы ИНС "Синтез" на открытых шаровых гироскопах АШГ-100 и ВШГ-100 и ИНС "Силикат" на двухстепенных поплавковых гироскопах. Испытания дали отрицательный результат прежде всего из-за несовершенства элементной базы ИНС.

Только к 1974 г. была создана ИНС "Стрелец" на закрытых шаровых гироскопах (ЗШГО) с аэродинамическим подвесом ротора по обращенной схеме (главный конструктор Б.Д.Жарков). Эта ИНС совместно с ИНС "Спин" (главный конструктор И.М.Окон ) на поплавковых гироскопах прошла конкурсные морские испытания на ЭОС "Аджария", в которых от Института участвовали А.Ю.Морозов и В.В.Лосев. Испытания выявили недостатки в обеих системах, хотя в дальнейшем предпочтение было отдано ИНС "Стрелец". Указанная ИНС была принята на вооружение в составе НК "Медведица-РТМ" (главный конструктор В.Г.Пешехонов). В корабельных испытаниях ИНС "Стрелец" от Института активное участие принимал А.П.Веселкин.

Возможно это решение было ошибочным, поскольку уже тогда отмечались такие существенные недостатки системы "Стрелец" и ее модификации "Стеллит" как:

• необходимость привлечения внешней прецизионной информации о курсе корабля при запуске системы, что обусловлено значительным изменением "восточного" дрейфа гироориентатора системы от пуска к пуску и отсутствием, в отличие от ИНС типа "Тавда"("Иртыш"), модуляционного вращения ГСП;
• существенный уровень "румбовых" дрейфов гироориентатора из-за низкой величины постоянной времени (£ 200 с) по рассогласованию в ЗШГО.

Следует отметить, что ИНС "Стрелец"("Стеллит") как и система "Тавда"("Иртыш") не смогли обеспечить в НК 2-го поколения выработку координат места с требуемой точностью в инерциальном режиме работы.

В навигационных комплексах 3-го поколения приоритетную роль приобрела проблема обеспечения заданной точности хранения координат места, что потребовало более чем на порядок снизить уровень нестабильности дрейфа гироскопов ИНС.

Исследования, проведенные в 60–70-е годы в нашем Институте (Е.А.Ананченко, В.А.Каракашев, Г.А.Левит и др.) показали, что эта проблема может быть решена путем использования в составе НК гирокорректоров на гироскопах, использующих новые физические принципы (лазерные, электростатические гироскопы).

Однако инерциальный режим выработки координат места удалось реализовать только в НК 3-го поколения (главный конструктор В.Г.Пешехонов) благодаря созданию прецизионного гирокорректора "Скандий" (главный конструктор В.З.Гусинский, главный наблюдающий Г.И.Емельянцев) на электростатических гироскопах (ЭСГ). Разработка ЭСГ (главный конструктор А.С.Анфиногенов) проводилась в ЦНИИ "Электроприбор" с середины 60-х годов. В результате был создан принципиально новый гироскоп мирового уровня, потенциальные возможности которого до настоящего времени еще далеко не исчерпаны.

Кроме ЦНИИ "Электроприбор" лишь трем зарубежным фирмам удалось довести разработку ЭСГ до практического применения. Это Отделение Аutonetics Rockwell Inc.(США), Hоneywell (США) и Sagem (Франция).

Созданием отечественного ЭСГ была решена поистине стратегическая задача в навигационном обеспечении кораблей ВМФ.

По прогнозу Дрейперовской лаборатории (США) в прецизионной автономной навигации технологии ЭСГ в ближайшем будущем нет альтернативы.

Первые образцы ИНС для НК 3-го поколения были изготовлены и прошли заводские и корабельные испытания в 1980–1983 гг.( в испытаниях систем "Скандий" и "Стеллит" от Института принимали участие Г.И.Емельянцев и И.И.Тузов ).

В 1983–1984 гг. были завершены работы по созданию ИНС "Индига" (дальнейшая модификация ИНС "Тавда") и лазерного корректора в составе НК "Шлюз" (главный конструктор О.В.Кищенков). Активное участие в их испытаниях принимали Г.А.Левит, А.А. Нестеров и др.

Если внедрение лазерного корректора в НК "Шлюз" позволило решить на требуемом уровне лишь проблему хранения курса в высоких широтах (заметное повышение точности выработки координат не привело к отказу от периодического использования ГАЛ), то создание гирокорректора на ЭСГ обеспечило в НК 3-го поколения возможность принять в качестве основного режима работы инерциальный режим выработки координат местоположения без ограничения по широте плавания корабля.

Однако этот успех пришел не сразу. В ходе стендовых и корабельных испытаний гирокорректора "Скандий" был выявлен целый ряд проблем в части его калибровки при запуске из холодного состояния без привлечения прецизионных измерений по курсу, коррекции положения и дрейфа ЭСГ в море и др. Для их решения потребовалась практически полная переработка математического обеспечения системы "Скандий". В частности, был внедрен (1983 г.) способ ее "протяженной" коррекции, разработанный в нашем Институте (Г.И.Емельянцев, О.М.Митрофанова) совместно с сотрудниками ЦНИИ "Электроприбор", позволивший существенно повысить точностные характеристики НК 3-го поколения.

В 1984 г. на ЭОС "Маршал Неделин" при переходе с Балтики на Дальний Восток и в 1985 г. во время похода на пл к Северному полюсу были проведены широтные испытания системы "Скандий". Эти испытания выявили дополнительную широтную зависимость в модели дрейфа ЭСГ, неучет которой приводил к так называемой широтной погрешности в вырабатываемых координатах местоположения. Соответствующая доработка алгоритмов системы, предложенная В.З.Гусинским и Г.И.Емельянцевым, позволила исключить влияние этой погрешности, что было подтверждено при повторном походе к Северному полюсу в 1987 г. В широтных испытаниях системы "Скандий" в 1984, 1985 и 1987 г. от Института принимал участие Г.И.Емельянцев.

Одной из значительных проблем при корабельных испытаниях НК 3-го поколения стала проблема метрологического обеспечения контроля курса. Прямые методы эталонирования по курсу не всегда обеспечивали требуемую точность измерений. Кроме того, их использование имеет ограничения по гидрометеоусловиям. Поэтому сотрудниками Института (Г.И.Емельянцев, О.М.Митрофанова) совместно с разработчиками системы "Скандий" была разработана защищенная авторским свидетельством и внедрена "косвенная" методика контроля погрешностей по курсу, использующая в качестве эталонных данных измерения координат места.

Существенным недостатком ЭСГ на первых порах была его низкая надежность. Поэтому в ЦНИИ "Электроприбор" параллельно с гирокорректором "Скандий" разрабатывалась система "Соната" (главный конструктор А.А.Одинцов, главный наблюдающий Е.А.Ананченко) аналогичного назначения на более грубых, но зато более надежных магнитных сферических гироскопах (МСГ). По результатам конкурсных испытаний предпочтение было отдано системе "Скандий", т.к. для МСГ в неуправляемом режиме характерны наличие дополнительных возмущающих моментов из-за электромагнитных потерь в роторе, что приводит к более сложной модели дрейфа МСГ (и, следовательно, к возникновению проблем с калибровкой), а также значительно меньшая по сравнению с ЭСГ постоянная времени по рассогласованию, что предъявляет более жесткие требования к гироскопическим следящим системам. С внедрением в ЭСГ встроенной электроники подвеса, доработкой конструкции ротора и камеры, обеспечивающей безаварийную посадку ротора при снятии электропитания, радикально улучшились его эксплуатационные характеристики. Современные ЭСГ по надежности практически не уступают классическим типам гироскопов.

Нашим Институтом было рекомендовано разработать на базе управляемого МСГ малогабаритную платформенную ИНС горизонтного типа на замену систем "Стрелец" и "Стеллит". В этом случае значительно упрощается модель дрейфа МСГ, появляется возможность реализации модуляционного вращения платформы для обеспечения калибровки "восточного" дрейфа без привлечения данных по курсу. Такая система уже создана и имеет неплохие шансы найти широкое применение в малогабаритных НК для кораблей различного назначения.

В последнее время в Институте значительное внимание уделяется проблеме унификации корабельного навигационного оборудования и, в частности, задаче создания на базе ИНС и систем гиростабилизации единых общекорабельных систем навигации и стабилизации. Последние предназначены для интеграции и информационного обеспечения задач навигации, управления движением, начальной выставки и калибровки бортовых систем корабельных потребителей, например пилотажных комплексов палубной авиации [1]. Они позволяют значительно сократить массогабаритные характеристики и стоимость корабельного навигационного оборудования. Примерами таких систем являются гироазимутгоризонткомпас на динамически настраиваемых гироскопах "Пастильщик-Д", разработанный ЦНИИ "Дельфин", и ИНС на поплавковых гироскопах "Ладога-М", созданная в ЦНИИ "Электроприбор".

Однако, как известно [2], для этих целей более высокими эксплуатационными характеристиками будут обладать интегрированные системы ориентации и навигации (ИСОН) на базе бесплатформенных инерциальных измерительных модулей (БИИМ), приемной аппаратуры спутниковой навигационной системы (ПА СНС) ГЛОНАСС / НАВСТАР) и модуля электронной карты. Принципиальной особенностью ИСОН по сравнению со стандартным навигационным оборудованием является более глубокая интеграция данных ИНС и ПА СНС. Обработку информации в системе целесообразно осуществлять на уровне первичных навигационных измерений (псевдодальности и радиальной скорости). Причем их расчетные значения (по данным БИИМ и эфемеридной информации) должны использоваться и в ПА ИНС, что существенно повышает ее помехоустойчивость.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что перспектива развития навигационного оборудования для кораблей и морских судов различного назначения начала XXI века состоит в создании ряда ИСОН с унифицированными ПА СНС ГЛОНАСС, модулем электронной карты и рядом БИИМ (в зависимости от требуемого уровня информационной автономности с различными ТТХ). Учитывая современное состояние с развитием элементной базы ИНС для морских объектов, следует ожидать, что это будут, прежде всего, БИИМ на электростатических, лазерных и волоконно-оптических гироскопах.

1. Алексеев С.П., Емельянцев Г.И. Об интеграции информационного обеспечения задач навигации, стабилизации и управления движением морских подвижных объектов // Навигация и гидрография.– 1996.– №2.– С.73–76.

2. Емельянцев Г.И., Анучин О.Н., Гусинский В.З. О построении ИСОН для кораблей и морских судов. Материалы 3-й Российской научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы навигации и океанографии" 20–23 мая 1998 г., С-Пб, Гос.НИНГИ МО РФ. С.32.