Sistema de navegación inercial

Un sistema de navegación inercial ( INS ; también sistema de guiado inercial , instrumento inercial ) es un dispositivo de navegación que utiliza sensores de movimiento ( acelerómetros ), sensores de rotación ( giroscopios ) y una computadora para calcular continuamente, mediante navegación a estima , la posición, la orientación y la velocidad (dirección y rapidez del movimiento) de un objeto en movimiento sin necesidad de referencias externas. ^{[ 1 ]} A menudo, los sensores inerciales se complementan con un altímetro barométrico y, a veces, con sensores magnéticos ( magnetómetros ) y/o dispositivos de medición de velocidad. Los INS se utilizan en robots móviles ^{[ 2 ] [ 3 ]} y en vehículos como barcos , aeronaves , submarinos , misiles guiados y naves espaciales . ^{[ 4 ]} Los sistemas INS más antiguos generalmente utilizaban una plataforma inercial como punto de montaje en el vehículo y, a veces, los términos se consideran sinónimos.

La navegación inercial es una técnica de navegación autónoma que utiliza mediciones proporcionadas por acelerómetros y giroscopios para rastrear la posición y orientación de un objeto con respecto a un punto de partida, orientación y velocidad conocidos. Las unidades de medición inercial (IMU) suelen contener tres giroscopios de velocidad angular ortogonales y tres acelerómetros ortogonales, que miden la velocidad angular y la aceleración lineal, respectivamente. Mediante el procesamiento de las señales de estos dispositivos, es posible rastrear la posición y orientación del objeto.

Un sistema de navegación inercial (INS) incluye al menos una computadora y una plataforma o módulo con acelerómetros , giroscopios u otros sensores de movimiento. Inicialmente, el INS recibe su posición y velocidad de otra fuente (un operador humano, un receptor GPS, etc.), junto con la orientación inicial, y posteriormente calcula su propia posición y velocidad actualizadas integrando la información recibida de los sensores de movimiento. La ventaja de un INS radica en que, una vez inicializado, no requiere referencias externas para determinar su posición, orientación o velocidad.

Un sistema de navegación inercial (INS) puede detectar cambios en su posición geográfica (por ejemplo, un desplazamiento hacia el este o el norte), en su velocidad (rapidez y dirección del movimiento) y en su orientación (rotación sobre un eje). Para ello, mide la aceleración lineal y la velocidad angular aplicadas al sistema. Dado que no requiere ninguna referencia externa (tras su inicialización), es inmune a interferencias y engaños.

Los giroscopios miden el desplazamiento angular del sistema de referencia del sensor con respecto al sistema de referencia inercial . Al utilizar la orientación original del sistema en el sistema de referencia inercial como condición inicial e integrar el desplazamiento angular, se conoce en todo momento la orientación actual del sistema. Esto se puede comparar con la capacidad de un pasajero con los ojos vendados en un automóvil para sentir cómo el vehículo gira a izquierda y derecha o se inclina hacia arriba y hacia abajo al subir o bajar pendientes. Con esta información, el pasajero sabe hacia dónde apunta el automóvil, pero no a qué velocidad se mueve ni si se está deslizando lateralmente.

Los acelerómetros miden la aceleración lineal del vehículo en movimiento en el sistema de referencia del sensor o de la carrocería, pero en direcciones que solo pueden medirse en relación con el sistema en movimiento (ya que los acelerómetros están fijos al sistema y giran con él, pero desconocen su propia orientación). Esto puede compararse con la capacidad de un pasajero con los ojos vendados en un automóvil para sentir cómo se le presiona hacia atrás en el asiento cuando el vehículo acelera hacia adelante o se le tira hacia adelante cuando desacelera; y cómo se le presiona hacia abajo en el asiento cuando el vehículo acelera cuesta arriba o se le levanta del asiento cuando el automóvil pasa la cima de una colina y comienza a descender. Basándose únicamente en esta información, saben cómo acelera el vehículo en relación consigo mismo; es decir, si acelera hacia adelante, hacia atrás, hacia la izquierda, hacia la derecha, hacia arriba (hacia el techo del automóvil) o hacia abajo (hacia el piso del automóvil), medido en relación con el automóvil, pero no la dirección en relación con la Tierra, ya que no sabían hacia dónde apuntaba el automóvil en relación con la Tierra cuando sintieron las aceleraciones.

Sin embargo, al registrar tanto la velocidad angular actual del sistema como la aceleración lineal actual del sistema medida con respecto al sistema en movimiento, es posible determinar la aceleración lineal del sistema en el sistema de referencia inercial. Al realizar la integración de las aceleraciones inerciales (utilizando la velocidad original como condición inicial) mediante las ecuaciones cinemáticas correctas , se obtienen las velocidades inerciales del sistema, y ​​al integrar nuevamente (utilizando la posición original como condición inicial) se obtiene la posición inercial. En nuestro ejemplo, si el pasajero con los ojos vendados supiera hacia dónde apuntaba el coche y cuál era su velocidad antes de que le vendaran los ojos, y si pudiera registrar tanto cómo ha girado el coche como cómo ha acelerado y desacelerado desde entonces, entonces podría conocer con precisión la orientación, la posición y la velocidad actuales del coche en cualquier momento.

La navegación inercial se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la navegación de aeronaves, misiles tácticos y estratégicos, naves espaciales, submarinos y buques. También está integrada en algunos teléfonos móviles para fines de localización y seguimiento. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Los recientes avances en la construcción de sistemas microelectromecánicos (MEMS) han hecho posible la fabricación de sistemas de navegación inercial pequeños y ligeros. Estos avances han ampliado el rango de posibles aplicaciones para incluir áreas como la captura de movimiento humano y animal .

Los sistemas de navegación inercial se utilizan en muchos objetos en movimiento. Sin embargo, su coste y complejidad limitan los entornos en los que resultan prácticos.

Para impulsar el uso de la tecnología inercial de la mejor manera, ya en 1965 se creó en Alemania un grupo de trabajo técnico sobre sensores inerciales, con el objetivo de reunir a usuarios, fabricantes e investigadores de este campo. Este grupo de trabajo se ha desarrollado continuamente y hoy se conoce como el Simposio DGON ISA sobre Sensores Inerciales y Aplicaciones, la conferencia líder en tecnologías inerciales desde hace más de 60 años. Este simposio, organizado por DGON/IEEE ISA y que cuenta con la asistencia de aproximadamente 200 participantes internacionales, se celebra anualmente en octubre en Alemania. Las publicaciones de todas las conferencias DGON ISA de los últimos 60 años están disponibles.

Todos los sistemas de navegación inercial sufren de deriva de integración: pequeños errores en la medición de la aceleración y la velocidad angular se integran en errores de velocidad cada vez mayores, que se acumulan en errores de posición aún mayores. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Dado que la nueva posición se calcula a partir de la posición calculada previamente y la aceleración y velocidad angular medidas, estos errores se acumulan aproximadamente de forma proporcional al tiempo transcurrido desde que se introdujo la posición inicial. Incluso los mejores acelerómetros, con un error estándar de 10 micro-g, acumularían un error de 50 metros (164 pies) en 17 minutos. ^{[ 9 ]} Por lo tanto, la posición debe corregirse periódicamente mediante la entrada de algún otro tipo de sistema de navegación.

En consecuencia, la navegación inercial se utiliza habitualmente para complementar otros sistemas de navegación, proporcionando un grado de precisión superior al que se puede lograr con un solo sistema. Por ejemplo, si en aplicaciones terrestres la velocidad medida inercialmente se actualiza intermitentemente a cero al detenerse, la posición se mantendrá precisa durante mucho más tiempo, lo que se conoce como actualización de velocidad cero . En el sector aeroespacial, en particular, se utilizan otros sistemas de medición para determinar las imprecisiones del INS; por ejemplo, el sistema de navegación inercial Honeywell LaseRefV utiliza datos GPS y de la computadora de datos aéreos para mantener el rendimiento de navegación requerido . El error de navegación aumenta con la menor sensibilidad de los sensores utilizados. Actualmente, se están desarrollando dispositivos que combinan diferentes sensores, como el sistema de referencia de actitud y rumbo . Dado que el error de navegación está influenciado principalmente por la integración numérica de las velocidades angulares y las aceleraciones, el sistema de referencia de presión se desarrolló para utilizar una integración numérica de las mediciones de velocidad angular.

La teoría de la estimación en general y el filtrado de Kalman en particular ^{[ 10 ]} proporcionan un marco teórico para combinar información de diversos sensores. Uno de los sensores alternativos más comunes es un sistema de navegación por satélite como el GPS , que puede utilizarse en todo tipo de vehículos con visibilidad directa del cielo. En aplicaciones interiores se pueden utilizar podómetros , equipos de medición de distancia u otros tipos de sensores de posición . Al combinar adecuadamente la información de un INS y otros sistemas ( GPS ), los errores de posición y velocidad se estabilizan . Además, el INS puede utilizarse como respaldo temporal cuando las señales GPS no están disponibles, por ejemplo, cuando un vehículo atraviesa un túnel.

En 2011, la interferencia del GPS a nivel civil se convirtió en una preocupación gubernamental. ^{[ 11 ]} La relativa facilidad para interferir estos sistemas ha motivado a las fuerzas armadas a reducir la dependencia de la navegación en la tecnología GPS. ^{[ 12 ]} Debido a que los sensores de navegación inercial no dependen de señales de radio, a diferencia del GPS, no pueden ser interferidos. ^{[ 13 ]} En 2012, el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. informó sobre un método para combinar mediciones de 10 pares de giroscopios y acelerómetros MEMS (más GPS ocasional), reduciendo el error de posición en dos tercios para un proyectil. El algoritmo puede corregir los sesgos sistémicos en los sensores individuales, utilizando tanto el GPS como una heurística basada en la fuerza de aceleración del disparo. Si un sensor sobreestima o subestima la distancia de forma constante, el sistema puede ajustar las contribuciones del sensor afectado al cálculo final. ^{[ 14 ]}

Los sistemas de navegación inercial se desarrollaron originalmente para cohetes . El pionero estadounidense de la cohetería, Robert Goddard, experimentó con sistemas giroscópicos rudimentarios . Los sistemas de Goddard despertaron gran interés entre los pioneros alemanes contemporáneos, como Wernher von Braun . Estos sistemas se popularizaron con la llegada de las naves espaciales , los misiles guiados y los aviones comerciales .

Los primeros sistemas de guiado alemanes V2 de la Segunda Guerra Mundial combinaban dos giroscopios y un acelerómetro lateral con una sencilla computadora analógica para ajustar el acimut del cohete en vuelo. Las señales de la computadora analógica se utilizaban para accionar cuatro timones de grafito en el escape del cohete para el control de vuelo. El sistema GN&C (Guidance, Navigation, and Control) del V2 proporcionó muchas innovaciones como plataforma integrada con guiado de bucle cerrado. Al final de la guerra, von Braun orquestó la rendición de 500 de sus mejores científicos de cohetes, junto con planos y vehículos de prueba, a los estadounidenses. Llegaron a Fort Bliss, Texas, en 1945 bajo las disposiciones de la Operación Paperclip y posteriormente fueron trasladados a Huntsville, Alabama , en 1950 ^{[ 15 ]} donde trabajaron para programas de investigación de cohetes del Ejército de los Estados Unidos.

A principios de la década de 1950, el gobierno estadounidense quería protegerse de la excesiva dependencia del equipo alemán para aplicaciones militares, incluido el desarrollo de un programa de guiado de misiles completamente nacional. El Laboratorio de Instrumentación del MIT (que más tarde se convertiría en el Laboratorio Charles Stark Draper , Inc.) fue elegido por la División de Desarrollo Occidental de la Fuerza Aérea para proporcionar un sistema de guiado autónomo de respaldo a Convair en San Diego para el nuevo misil balístico intercontinental Atlas ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} (La construcción y las pruebas fueron completadas por la División Arma de AmBosch Arma). El supervisor técnico de la tarea del MIT fue el ingeniero Jim Fletcher , quien más tarde se desempeñó como Administrador de la NASA. El sistema de guiado del Atlas sería una combinación de un sistema autónomo a bordo y un sistema de seguimiento y comando terrestre. El sistema autónomo finalmente prevaleció en las aplicaciones de misiles balísticos por razones obvias. En la exploración espacial, se mantiene una combinación de ambos.

En el verano de 1952, el Dr. Richard Battin y el Dr. J. Halcombe "Hal" Laning, Jr. , investigaron soluciones computacionales para la guía de aeronaves y emprendieron el trabajo analítico inicial sobre el sistema de guía inercial Atlas en 1954. Otras figuras clave en Convair fueron Charlie Bossart, el ingeniero jefe, y Walter Schweidetzky, jefe del grupo de guía. Schweidetzky había trabajado con von Braun en Peenemünde durante la Segunda Guerra Mundial.

El sistema de guiado inicial Delta evaluaba la diferencia de posición respecto a una trayectoria de referencia. Se realizaba un cálculo de velocidad a ganar (VGO) para corregir la trayectoria actual con el objetivo de llevar VGO a cero. Las matemáticas de este enfoque eran fundamentalmente válidas, pero se descartó debido a los desafíos en el guiado inercial preciso y la potencia de cálculo analógico. Los desafíos a los que se enfrentó el proyecto Delta fueron superados por el sistema Q (véase guiado Q ). La revolución del sistema Q consistió en integrar los desafíos del guiado de misiles (y las ecuaciones de movimiento asociadas) en la matriz Q. La matriz Q representa las derivadas parciales de la velocidad con respecto al vector de posición. Una característica clave de este enfoque permitió utilizar los componentes del producto vectorial (v, xdv, /dt) como señales básicas de velocidad del piloto automático, una técnica que se conoció como dirección por producto vectorial . El sistema Q se presentó en el primer Simposio Técnico sobre Misiles Balísticos, celebrado en la Corporación Ramo-Wooldridge de Los Ángeles los días 21 y 22 de junio de 1956. El sistema Q fue información clasificada durante la década de 1960. En la actualidad, se utilizan variantes de este sistema de guiado en los misiles.

Guía en vuelos espaciales tripulados

En febrero de 1961, la NASA adjudicó al MIT un contrato para el estudio de diseño preliminar de un sistema de guía y navegación para el programa Apolo . El MIT y la División de Electrónica Delco de General Motors Corp. recibieron el contrato conjunto para el diseño y la producción de los sistemas de guía y navegación del Apolo para el Módulo de Comando y el Módulo Lunar. Delco produjo las IMU ( Unidades de Medición Inercial ) para estos sistemas, Kollsman Instrument Corp. produjo los sistemas ópticos y Raytheon construyó la computadora de guía del Apolo bajo subcontrato. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Para el transbordador espacial , se utilizó un sistema de guiado de bucle abierto para guiarlo desde el despegue hasta la separación del cohete propulsor sólido (SRB). Tras la separación del SRB, el sistema de guiado principal del transbordador espacial se denomina PEG (Powered Explicit Guidance). PEG tiene en cuenta tanto el sistema Q como los atributos predictor-corrector del sistema "Delta" original (PEG Guidance). Si bien se habían realizado numerosas actualizaciones en el sistema de navegación del transbordador durante los últimos 30 años (por ejemplo, el GPS en la versión OI-22), el núcleo de guiado del sistema GN&C del transbordador había evolucionado poco. En un sistema tripulado, se requiere una interfaz humana para el sistema de guiado. Dado que los astronautas son los usuarios del sistema, se formaron muchos equipos nuevos que trabajan con GN&C, ya que es una interfaz principal para "pilotar" la nave.

Los sistemas de navegación inercial (SNI) contienen unidades de medición inercial (IMU) que disponen de acelerómetros angulares y lineales (para detectar cambios de posición); algunas IMU incluyen un elemento giroscópico (para mantener una referencia angular absoluta).

Los acelerómetros angulares miden la rotación del vehículo en el espacio. Generalmente, hay al menos un sensor para cada uno de los tres ejes: cabeceo (inclinación hacia arriba y hacia abajo), guiñada (inclinación hacia la izquierda y hacia la derecha) y alabeo (en sentido horario o antihorario desde la cabina).

Los acelerómetros lineales miden las aceleraciones no gravitacionales ^{[ 22 ]} del vehículo. Dado que puede moverse en tres ejes (arriba y abajo, izquierda y derecha, adelante y atrás), hay un acelerómetro lineal para cada eje.

Un ordenador calcula continuamente la posición actual del vehículo. Primero, para cada uno de los seis grados de libertad (x, y, z y θx _, θy _y θz ₎ , integra en el tiempo la aceleración detectada, junto con una estimación de la gravedad, para calcular la velocidad actual. A continuación, integra la velocidad para calcular la posición actual.

La guía inercial es difícil sin ordenadores. El deseo de utilizar la guía inercial en el misil Minuteman y en el Proyecto Apolo impulsó los primeros intentos de miniaturizar los ordenadores.

Actualmente, los sistemas de guiado inercial suelen combinarse con sistemas de navegación por satélite mediante un sistema de filtrado digital. El sistema inercial proporciona datos a corto plazo, mientras que el sistema satelital corrige los errores acumulados del sistema inercial.

Un sistema de guiado inercial que vaya a operar cerca de la superficie terrestre debe incorporar la sintonización Schuler para que su plataforma siga apuntando hacia el centro de la Tierra a medida que el vehículo se desplaza de un lugar a otro.

En una de sus formas, el sistema de ecuaciones de navegación adquiere mediciones lineales y angulares del sistema de referencia inercial y del cuerpo, respectivamente, y calcula la actitud y posición finales en el sistema de referencia NED .

Donde f es la fuerza específica,${\displaystyle \omega }$es la velocidad angular, a es la aceleración, R es la posición,${\displaystyle {\dot {R}}}$y V son la velocidad,${\displaystyle \Omega }$es la velocidad angular de la Tierra, g es la aceleración debida a la gravedad,${\displaystyle \Phi,\lambda}$y h son los parámetros de ubicación NED. Además, los superíndices/subíndices de E, I y B representan variables en el sistema de referencia terrestre, inercial o del cuerpo, respectivamente, y C es una transformación de sistemas de referencia.

• Índice de artículos sobre aviación
• Control de actitud de naves espaciales : proceso de control de la orientación de un vehículo aeroespacial. Páginas que muestran breves descripciones de destinos de redirección. 
• Sistema de navegación inercial LN-3 – Equipo para aeronaves militares 
• brújula cuántica
• Gradiometría gravitatoria
• Sistema vestibular : órgano biológico con una funcionalidad similar en humanos y otros vertebrados.

• Zanetti, Renato; d'Souza, Christopher (2020), "Navegación inercial", Enciclopedia de sistemas y control , pp. 1–7 , doi : 10.1007/978-1-4471-5102-9_100036-1 , ISBN  978-1-4471-5102-9
• AD King (1998). "Navegación inercial  : cuarenta años de evolución" (PDF) . GEC Review . 13 (3). General Electric Company plc : 140–149 .
• E. v. Hinueber (iMAR Navigation) (2011). "Diseño de un sistema de referencia de actitud de aeronave sin asistencia con giroscopios de precisión media para requisitos de actitud de alto rendimiento". Sensores y sistemas inerciales, Simposio sobre tecnología de giroscopios, Karlsruhe / Alemania . 2011. iMAR Navigation / DGON.

• Jekeli, Christopher (2012), Sistemas de navegación inercial con aplicaciones geodésicas , De Gruyter, ISBN 9783110800234

• Groves, Paul (2013), Principios de los sistemas de navegación integrados GNSS, inerciales y multisensor , Artech House, ISBN 9781608070053

• Ignagni, Mario (2024), Sistemas de navegación con anclajes fijos: Teoría y aplicación, Segunda edición , Champlain Press, ISBN 9798218275891

• Sistema de Navegación Inercial Ferranti (INAS)
• Sistema de navegación inercial
• Principio de funcionamiento de un acelerómetro
• Descripción general de los tipos de instrumentos inerciales
• Guía de navegación inercial de Oxford Technical Solutions
• Listado de sistemas de navegación inercial de código abierto
• Impacto de los errores de los sensores inerciales en los errores de posición y actitud del sistema de navegación inercial.
• Introducción a los sistemas de navegación inercial en aplicaciones de vehículos aéreos no tripulados/drones