Ключевые применения волоконно-оптических страпдаун-инерциальных навигационных систем в морской области
16 сентября 2025
Краткое чтение за одну минуту
Волоконно-оптическая страпдаун-инерциальная навигационная система (FOG-SINS) использует волоконно-оптические гироскопы (FOG) и акселерометры для формирования твердотельного инерциального измерительного блока (IMU), который в реальном времени вычисляет параметры движения носителя с помощью страпдаун-алгоритма. Благодаря своим значительным технологическим преимуществам FOG-SINS стала ядром нового поколения навигационных систем в сфере морских судов.
Применение FOG-SINS в области морских судов в основном отражается в судовой навигации, управлении подводными аппаратами и многолучевых измерениях. Ее ключевые преимущества заключаются в высокой точности, высокой надежности, сильной помехоустойчивости, автономной навигации, отличных динамических характеристиках и хорошей адаптации к условиям окружающей среды.
Судовая навигация
FOG-SINS может непрерывно и автономно предоставлять информацию о местоположении судна, курсе, ориентации (крен, тангаж), скорости и ускорении для навигации.
FOG-SINS интегрируется с GNSS (GPS, BeiDou и др.), одометрией (доплеровской/электромагнитной), компасом (магнитным/электронным) и т. д. (обычно с помощью фильтра Калмана), формируя высокоточный и высоконадежный комплекс навигации. FOG-SINS обеспечивает критически важные навигационные возможности в случае помех, экранирования или отказа GNSS-сигнала (например, в каньонах, под мостами, в условиях радиоэлектронной борьбы).
FOG-SINS также может обеспечивать высокоточную опорную информацию по ориентации для корабельного вооружения.
Технические преимущества FOG-SINS в судовой навигации:
⚪ Высокая точность и стабильность: стабильность нулевого смещения современных высокоточных FOG может достигать уровня 0.01°/h и даже выше, а случайное блуждание угла может достигать порядка 0.001°/√h, что поддерживает долгосрочные требования высокоточной инерциальной навигации и значительно снижает скорость накопления ошибок положения.
⚪ Быстрый запуск и отклик, широкий динамический диапазон: короткое время запуска (намного меньше времени прогрева механических гироскопов), быстрый динамический отклик и точный захват быстрых маневров судна, таких как экстренное руление и уклонение от столкновений. Система способна измерять различные движения судна от очень низких до высоких скоростей.
⚪ Сильная адаптация к окружающей среде и устойчивость к ударам и вибрации: система относительно нечувствительна к изменениям морских факторов среды, таких как температура, влажность и соляной туман (особенно при качественном проектировании и компенсации), и отличается высокой надежностью. Полностью твердотельная структура без механических вращающихся частей обеспечивает высокую устойчивость к неизбежным ударам и вибрациям при эксплуатации судна, стабильную работу и длительный срок службы.
Управление подводными аппаратами (AUV/UUV)
FOG-SINS, как ключевой компонент системы управления подводными аппаратами, является базовым датчиком для AUV, позволяющим реализовать длительную и высокоточную автономную навигацию под водой при отсутствии GNSS-сигналов. Система предоставляет информацию о положении, ориентации, скорости и ускорении.
Комбинация FOG-SINS, доплеровского лага (DVL), глубиномера, магнитометра (вспомогательный курс), ультракороткобазовой/длиннобазовой акустической системы позиционирования (USBL/LBL), гравитационной/геомагнитной корреляционной навигации и т. д. формирует подводную комплексную навигационную систему, значительно повышая точность и надежность навигации. FOG-SINS является ядром и основой такой интегрированной навигации.
FOG-SINS обеспечивает высокоточную обратную связь по ориентации и курсу в реальном времени для системы управления AUV (например, для рулей, движителей и механизмов корректировки ориентации), позволяя реализовать точное удержание глубины, высоты, курсирование и сложные маневры, такие как зависание и придонная навигация. Кроме того, система предоставляет стабильную опорную ориентацию для полезной нагрузки, такой как сонар (бокового обзора, переднего обзора), камеры и роботизированные манипуляторы, обеспечивая качество данных и точность операций.
Технические преимущества FOG-SINS в системе управления подводными аппаратами:
⚪ Полная автономность: отсутствие зависимости от внешних сигналов является ключом к реализации настоящей автономной навигации под водой.
⚪ Высокая точность, особенно важная под водой: высокоточная информация по ориентации и курсу критически важна для обхода препятствий, следования рельефу и точных операций. Хорошая стабильность нулевого смещения позволяет продлить время работы в режиме чистой инерциальной навигации под водой.
⚪ Невосприимчивость к магнитным помехам: волоконно-оптические гироскопы работают на оптическом принципе и не подвержены сложному магнитному полю под водой, в отличие от магнитных компасов.
Многолучевая измерительная система
FOG-SINS обеспечивает компенсацию движения для многолучевых измерительных систем, что является наиболее ключевым применением FOG-SINS в многолучевом батиметрическом измерении. Система точно измеряет и в реальном времени компенсирует изменения ориентации (крен, тангаж, рыскание) и вертикальные перемещения измерительного судна или платформы в момент измерения.
FOG-SINS может предоставлять точную информацию о курсе и положении для многолучевой измерительной системы (обычно в тесной связке с GNSS), используемую для определения точного положения и направления гидроакустической решетки в геодезической системе координат.
FOG-SINS также может предоставлять точную временную опору для всей измерительной системы, включая многолучевой сонар, GNSS, датчики движения, профилограф скорости звука и т. д.
Технические преимущества FOG-SINS в многолучевой измерительной системе:
⚪ Сверхвысокие динамические характеристики и широкая полоса пропускания: система способна точно и быстро измерять и отслеживать высокочастотные движения судов и платформ, особенно вертикальные перемещения и качку, вызванные короткопериодными волнами, что является ключом к получению высококачественных данных о рельефе морского дна. Ее динамический отклик значительно превосходит традиционные блоки вертикальной опоры (VRU).
⚪ Высокая точность ориентации: точность ориентации, особенно крена и тангажа, напрямую влияет на точность компенсации угла луча. FOG-SINS обеспечивает точность измерения ориентации на субугловом уровне (<0.01°), гарантируя точность направления луча и расчета положения следа на дне.
⚪ Плотная интеграция и синхронизация времени: FOG-SINS обычно проектируется как высокоинтегрированный измерительный блок (часто называемый POS MV или INS), внутренние датчики которого, включая гироскопы и акселерометры, имеют чрезвычайно высокую точность синхронизации и способны обеспечивать синхронизацию времени с внешними датчиками, такими как GNSS и сонар, на уровне микросекунд, гарантируя строгую временную согласованность всех данных.
Ключевые продукты и технические характеристики
|
Параметр |
IF3600 |
IF3700 |
|
|
Точность выставки по чистой инерциальной навигации |
Точность североискания |
≤0.1°sec(Φ) |
≤0.05°sec(Φ) |
|
Точность ориентации |
≤0.008° |
≤0.003° |
|
|
Точность удержания по чистой инерциальной навигации |
Курс |
0.03°/h |
≤0.01° |
|
Углы ориентации |
0.02°/h |
≤0.005° |
|
|
Положение（CEP50%） |
≤1 nmile/h |
≤1nmile/h |
|
|
Скорость |
≤0.5m/s |
≤0.5m/s |
|
|
Точность инерциально-спутниковой комбинации |
Курс |
≤0.02° |
≤0.02° |
|
Ориентация |
≤0.005° |
≤0.005° |
|
|
Положение |
≤ 2m (одиночная точка) |
≤1.2m (одиночная точка) |
|
|
Скорость |
≤0.02m/s |
≤0.02m/s |
|
|
Точность комбинации ИНС/ODO/DVL |
Комбинация одометра/DVL |
0.25% × D |
≤0.5%×D |
Заключение
Волоконно-оптическая страпдаун-инерциальная навигационная система стала незаменимой ключевой технологией в современной высокоточной судовой навигации, автономной работе подводных аппаратов и высокоразрешающем картографировании рельефа морского дна благодаря своим преимуществам в виде полностью твердотельной высокой надежности, динамической точности и возможности многосенсорного слияния.
