En mi trabajo que desarrolla sistemas de navegación, he descubierto que la verdadera confiabilidad proviene de la independencia, no de la dependencia de las señales externas. Es por eso que los sistemas de navegación inercial (INS) juegan un papel tan crítico: operan completamente en mediciones internas, proporcionando navegación consistente y continua en una amplia gama de entornos, desde vehículos autónomos hasta plataformas aeroespaciales.
Un sistema de navegación inercial (INS) determina la posición, la velocidad y la orientación utilizando solo sensores de movimiento internos, lo que permite una navegación precisa en una amplia gama de aplicaciones, incluidos sistemas autónomos, plataformas submarinas y operaciones de defensa crítica de misión.
Antes de seleccionar un INS para su aplicación, ayuda a crear una comprensión clara de sus principios de trabajo y tipos de sistemas.
Tabla de contenido
¿Qué es un sistema de navegación inercial (INS)?
Un sistema de navegación inercial (INS) es un sistema autónomo que utiliza sensores de movimiento internos, acelerómetros y giroscopios típicamente, para calcular continuamente la posición, la velocidad y la orientación de una plataforma en el espacio tridimensional. Debido a que no se basa en ninguna referencia externa, INS es especialmente valioso en entornos donde se requiere una navegación consistente e ininterrumpida, incluidas aplicaciones de defensa submarina, subterránea y alta.
¿Cuáles son los componentes centrales de un INS?
En mi experiencia, diseñando soluciones INS, cada sistema comienza con tres componentes esenciales: giroscopios, acelerómetros y un procesador de navegación. Para mejorar la precisión y la estabilidad, a menudo integramos sensores adicionales, como receptores GNSS, magnetómetros o altímetros barométricos, para la fusión de sensores avanzados. Esta arquitectura permite al INS mantener un seguimiento de movimiento confiable en entornos diversos y desafiantes.
giroscopios
Los giroscopios miden la velocidad angular a lo largo de tres ejes ortogonales (X, Y, Z), proporcionan datos esenciales para la orientación de la computación: rollo, tono y guiñada. Los giroscopios de MEMS se usan ampliamente para aplicaciones compactas, mientras que la niebla (giroscopios de fibra óptica) y el RLG (giroscopios láser de anillo) ofrecen una mayor precisión y estabilidad a largo plazo para sistemas tácticos y aeroespaciales.
Acelerómetros
Los acelerómetros miden la aceleración lineal a lo largo de cada eje. Cuando se integran con el tiempo, estos valores producen cambios en la velocidad y el desplazamiento. Los acelerómetros de alto rendimiento con baja inestabilidad de sesgo y bajo ruido son cruciales para mantener la precisión de la posición con el tiempo.
Procesador de navegación inercial
El procesador sirve como el núcleo computacional de los INS. Fusiona la entrada de los sensores de movimiento, aplica algoritmos de compensación y filtrado, y sale de posición, velocidad y orientación en tiempo real. Muchos sistemas también admiten la integración del sensor externo y los diagnósticos en tiempo real dentro de esta unidad.
Receptores GNSS
Un número creciente de soluciones INS ahora integran receptores GNSS para mejorar la precisión a largo plazo y el posicionamiento global. Al combinar mediciones inerciales con datos satelitales, típicamente a través del filtrado de Kalman extendido, estos sistemas híbridos corrigen efectivamente la deriva y ofrecen un rendimiento de navegación robusto en plataformas autónomas, sistemas aeroespaciales y aplicaciones de grado geodético.
Magnetómetros
Los magnetómetros ayudan a determinar el rumbo midiendo el campo magnético de la Tierra. Si bien es menos preciso que las soluciones giroscópicas, proporcionan una referencia absoluta útil, especialmente en aplicaciones de baja dinámica o interior.
Altímetros barométricos
Estos sensores proporcionan una estimación de altitud basada en la presión atmosférica. Se usan comúnmente en UAV, aeronaves y sistemas de tierra que requieren datos de referencia vertical en entornos donde la altitud GNSS puede no ser confiable.
Juntos, estos componentes forman un sistema de navegación versátil capaz de entregar datos de movimiento de alta tasa en tiempo real, ya sea operando como una unidad de inercia pura o como parte de una solución GNSS/INS estrechamente integrada diseñada para entornos complejos y dinámicos.
¿Cuáles son los diferentes tipos de INS: MEMS, FOG y RLG?
Los sistemas de navegación inercial se pueden clasificar ampliamente en función del tipo de tecnología de giroscopio que usan. La elección de la tecnología determina las características clave de rendimiento, como la estabilidad del sesgo, el ruido, la deriva y el costo, lo que es crítico seleccionar el tipo correcto para su aplicación.
1. MEMS INS (sistemas microelectromecánicos)
MEMS INS se construye con giroscopios micromecánicos y acelerómetros a base de silicio. Gracias a los avances en la fabricación de semiconductores, estos sistemas ahora se usan ampliamente en plataformas compactas donde el tamaño, el peso, la potencia y el costo (SWAP-C) son restricciones importantes.
2. Fog INS (INS basado en giroscopio de fibra óptica)
La niebla se basa en el efecto Sagnac, utilizando fibra óptica en espiral para medir la rotación. Ofrece una estabilidad significativamente mayor, una deriva más baja y una mejor linealidad del factor de escala que los sistemas MEMS, lo que lo hace ideal para la navegación de grado táctico.
3. RLG INS (INS basado en giroscopio láser de anillo)
RLG INS utiliza la interferencia láser en una cavidad de circuito cerrado para detectar la velocidad angular con una precisión extremadamente alta. Esta arquitectura ofrece precisión de grado estratégico y generalmente se implementa en sistemas donde el rendimiento inercial absoluto es crítico.
| Tipo INS | Ventajas | Limitaciones | Casos de uso típicos |
|---|---|---|---|
| INS MEMS |
|
| UAV, robótica, sistemas portátiles, municiones merodeadoras |
| NIEBLA INS |
|
| Plataformas aeroespaciales, vehículos de defensa, sistemas marinos |
| RLG INS |
|
| Misiles balísticos, naves espaciales, aviones de gama alta |
¿Cómo funciona INS?
Al configurar un INS, siempre comienzo definiendo su posición inicial, velocidad y orientación. A partir de ahí, el sistema se basa únicamente en mediciones inerciales para estimar cada estado de movimiento posterior en tiempo real.
1. Medición de aceleración
El sistema utiliza acelerómetros tri-axiales para medir la aceleración lineal en tres direcciones. Estos valores se integran con el tiempo para calcular la velocidad y luego se integran nuevamente para calcular los cambios en la posición.
2. Medición de la tasa angular
Los giroscopios miden la velocidad angular a lo largo de los ejes X, Y y Z. Estas lecturas se utilizan para actualizar la orientación del sistema a través de la integración de cuaternión o ángulo de Euler.
3. Principio de cálculo muerto
INS opera a través de Dead Reckoning, lo que significa que estima el estado actual en función del anterior y la entrada del sensor. Esto le permite navegar sin referencias externas como GNSS.
4. Acumulación de errores y deriva
Debido a que integra datos de sensores ruidosos, pequeños sesgos y errores (por ejemplo, inestabilidad de sesgo, error del factor de escala) se acumulan con el tiempo, lo que lleva a la deriva tanto en posición como en orientación.
5. Fusión de sensores y entradas para ayudar
Para minimizar la deriva, INS a menudo se combina con sensores externos como GNSS, registros de velocidad Doppler (DVL), barómetros o magnetómetros. Estas fuentes ayudantes corrigen errores acumulados y extienden la precisión operativa.
Esta arquitectura permite que el INS entregue la navegación autónoma en tiempo real en entornos donde las señales externas son limitadas, interrumpidas o completamente no disponibles, como durante la alta dinámica o la interferencia electromagnética.
¿Qué métricas de rendimiento definen la calidad de un INS?
Al seleccionar un sistema de navegación inercial, comprender sus parámetros de rendimiento central es esencial para garantizar que cumpla con los requisitos de la misión. Las siguientes métricas son más críticas:
1. Precisión de navegación
La precisión del INS incluye errores de posición, velocidad y actitud que se acumulan con el tiempo. La alta precisión es crucial para las operaciones en entornos de GNSS. El guía GFS120A, por ejemplo, ofrece una precisión de encabezado de 0.01 ° (1σ) , precisión de rollo/tono de 0.005 ° (1σ) y posicionamiento de nivel RTK de <2 cm + 1 ppm , con un error de velocidad tan bajo como 0.02 m/s .
2. Estabilidad de sesgo
La estabilidad de sesgo refleja la deriva a largo plazo de los giroscopios y acelerómetros, lo que afecta directamente la resistencia de la navegación. El GuidenAV GFS120A presenta una estabilidad de sesgo de giroscopio de 0.003 °/hy estabilidad de sesgo del acelerómetro por debajo de 20 μg , lo que lo hace adecuado para aplicaciones autónomas de alta precisión y larga duración.
3. Ruido del sensor (caminata aleatoria)
La caminata aleatoria cuantifica el ruido del sensor a corto plazo. Los valores más bajos de ARW y VRW indican datos más limpios y estables durante el movimiento.
4. Rendimiento dinámico
La tasa de actualización, la latencia y el ancho de banda determinan qué tan rápido responde el INS al movimiento. El alto rendimiento dinámico es fundamental para UAV, robótica y misiles.
5. Robuste ambiental
El INS debe resistir la vibración, el choque y la temperatura extremas. El cumplimiento de los estándares MIL-STD o DO-160 asegura la confiabilidad en condiciones duras.
Comprender y comparar estas métricas permite a los integradores elegir el INS apropiado para su plataforma, equilibrio de costos, precisión y demandas ambientales.
¿Cuáles son las aplicaciones típicas de INS en todas las industrias?
Los sistemas de navegación inercial (INS) se utilizan ampliamente en las industrias aeroespaciales, marinas, de defensa, no tripuladas, la automatización industrial y las industrias subterráneas donde la navegación continua e independiente de la señal es crítica. En aeroespacial, permiten la orientación precisa de aviones y misiles; En solicitudes marinas, admiten submarinos y AUV donde GNSS no está disponible. Los sistemas de defensa dependen de INS para la orientación, el control de incendios y la navegación en entornos con GPS. Las plataformas no tripuladas como UAV, UGV y UUV usan INS para posicionamiento en tiempo real y fusión de sensores. En robótica industrial, INS garantiza un control de movimiento preciso para AGV y grullas. En minería y túnel, INS permite un posicionamiento subterráneo confiable para maquinaria pesada y sistemas de perforación.
¿Cómo guía lidera en la industria de navegación inercial?
Con más de 15 años de experiencia, Guidenav ofrece soluciones de navegación inerciales de alto rendimiento confiables por integradores de sistemas de defensa, aeroespacial e autónomos en todo el mundo.
Diversas líneas de productos
Desde MEMS compactos para los UAV hasta la niebla de alta precisión para marinos y aeroespaciales, Guidenav cubre una gama completa de perfiles de misión.
Optimizado para swap-c
Todos los sistemas están construidos para el tamaño, el peso, la energía y la eficiencia de rentabilidad: ideal para plataformas móviles, integradas y tácticas.
Integración híbrida lista
Nuestras plataformas INS admiten fusión perfecta con GNSS, DVL y otros sensores de ayuda a través de interfaces estándar (UART, CAN, Ethernet).
Resistente y probado
Diseñadas para cumplir con MIL-STD-810H, las unidades de guías son resistentes a los golpes, tolerantes a la vibración y operan de manera confiable en entornos hostiles.
GuidenAV es el socio preferido para integradores que buscan sistemas avanzados de navegación inercial (INS) que combinan alta precisión, robustez operacional y el cumplimiento total de la exportación para la defensa exigente, las aplicaciones aeroespaciales y autónomas.
