Un sistema di navigazione inerziale o sistema di guida inerziale è un dispositivo di navigazione che fornisce informazioni su posizione, velocità e accelerazione di un dato veicolo (tra cui navi, aeromobili, missili e veicoli spaziali, ma anche robot), senza la necessità di riferimenti esterni o dispositivi di radiocomunicazione. Tuttavia, la misurazione della posizione nei sistemi inerziali è inevitabilmente soggetta a deriva nel tempo, richiedendo perciò una frequente ricalibrazione.
Storia
I primi sistemi giroscopici furono sviluppati da Léon Foucault, in seguito utilizzati da Elmer Sperry per costruire un rudimentale autopilota all'inizio del XX secolo. Bisogna però attendere gli anni '30 per vedere i primi veri e propri sistemi di navigazione basati su riferimenti inerziali. I primi prototipi di sistemi di navigazione inerziale, originariamente sviluppati per la guida dei razzi, furono costruiti dal pioniere della missilistica americano Robert Goddard in parallelo con l'ingegnere tedesco Wernher von Braun. Il primo sistema progettato per il razzo V2 consisteva di due giroscopi e un accelerometro che consentivano di mantenere il razzo orientato verso il corretto azimut. Inizialmente i primi sistemi erano costituiti da pesanti sistemi elettromeccanici e analogici che non consentivano di ridondare i sistemi per aumentarne l'affidabilità nelle applicazioni aerospaziali. Questo problema fu particolarmente sentito nello sviluppo del programma Apollo, dove il sistema di navigazione diventò un sistema critico e da cui dipendeva la vita degli astronauti. Ciò diede una forte spinta ai primi tentativi di miniaturizzazione dei calcolatori al fine di produrre il primo sistema di navigazione inerziale digitale.
Un esempio famoso di sistema INS per velivoli commerciali fu il sistema Delco Carousel, che forniva una parziale automatizzazione della navigazione nei giorni che precedettero la comune utilizzazione dei sistemi di gestione del volo. Il Carousel permetteva al pilota di entrare in una serie di punti di riferimento, e poi di guidare il velivolo da un punto all'altro usando un sistema di navigazione inerziale per stabilirne la posizione. Alcuni velivoli erano equipaggiati con due sistemi Carousel per ragioni di sicurezza.
Principio di funzionamento Un sistema di navigazione inerziale include almeno un calcolatore e una piattaforma o modulo che contiene degli accelerometri, dei giroscopi, od altri dispositivi sensibili al moto. Il sistema è inizialmente fornito della sua velocità e posizione da un'altra sorgente (un operatore, un ricevitore satellitare GPS, etc.), e dopo di ciò calcola la sua posizione aggiornata e velocità integrando le informazioni che ha ricevuto dai sensori di moto. Il vantaggio di un sistema inerziale è quello di non necessitare di riferimenti esterni per determinare la sua posizione, il suo orientamento, o la sua velocità una volta che sia stato avviato.
Un sistema inerziale può rilevare una variazione della sua posizione geografica (per esempio, uno spostamento verso il nord o verso l'est), una variazione della sua velocità (velocità, orientamento e verso del moto), e una variazione del suo orientamento (rotazione attorno ad un asse). I giroscopi misurano la velocità angolare del sistema in una terna di riferimento inerziale. Utilizzando l'orientamento iniziale del sistema rispetto al riferimento inerziale quale dato iniziale ed integrando la velocità angolare, si conosce l'orientamento attuale del sistema in qualsiasi momento.
Gli accelerometri misurano le accelerazioni lineari del sistema nel riferimento inerziale, nelle direzioni relative al sistema in movimento in cui vengono misurate (dato che gli accelerometri sono fissati al sistema e si muovono con esso, tenendo traccia sia delle accelerazioni sui tre assi, X, Y e Z, del sistema sia della sua accelerazione lineare attuale misurata rispetto al sistema in movimento, questa accelerazione integrata nel tempo fornisce la velocità con cui si muove il sistema, integrata a sua volta nel tempo fornisce la distanza percorsa. Partendo dalle coordinate iniziali, con semplici calcoli è possibile determinare le coordinate a cui si trova il sistema in ogni istante, In particolare: l'effettuazione della integrazione delle accelerazioni inerziali (usando la velocità originale come condizione iniziale) usando le corrette equazioni cinematiche produce la velocità inerziale del sistema, e un'ulteriore integrazione (usando la posizione originale come condizione iniziale) produce la posizione inerziale.
Tutti i sistemi di navigazione inerziale soffrono di deriva di integrazione: piccoli errori nelle misurazioni dell'accelerazione e nella velocità angolare vengono integrati in errori progressivamente maggiori nella velocità, che vengono aggravati in errori ancora maggiori nella posizione. Questo è un problema inerente ad ogni sistema di controllo ad anello aperto.
I sistemi di navigazione inerziale sono spesso abbinati ai sistemi di navigazione satellitare, come il GPS, tramite un filtraggio digitale: il sistema inerziale fornisce dati a breve termine, mentre il sistema satellitare corregge gli errori di deriva del sistema inerziale. Questo tipo di integrazione viene tipicamente effettuata tramite un filtro di Kalman.
Tecnologie di costruzione
Piattaforme a sospensione cardanica stabilizzate giroscopicamente In alcuni sistemi gli accelerometri lineari sono disposti su una piattaforma a sospensione cardanica a stabilizzazione giroscopica. La sospensione cardanica è un insieme di tre anelli, ciascuno anello con un paio di cuscinetti, inizialmente ad angolo retto.
Tale sospensione consente alla piattaforma di ruotare attorno a qualsiasi asse rotazionale (o, in altri termini, consente alla piattaforma di conservare l'orientamento mentre il velivolo vi ruota attorno). Normalmente, sulla piattaforma ci sono due giroscopi.
Sono montati due giroscopi per annullare la precessione giroscopica, cioè la tendenza dei giroscopi a ruotare ad angolo retto rispetto alla direzione di una forza che vi venga applicata. Col montare due giroscopi (di uguale momento d'inerzia e ruotanti alla medesima velocità) ad angolo retto le precessioni si annullano, e la piattaforma si contrapporrà alla rotazione.
Questo sistema consente di misurare direttamente ai cuscinetti della sospensione cardanica gli angoli di rollio, imbardata e beccheggio del velivolo. Dei circuiti elettronici relativamente semplici possono venire impiegati per integrare le accelerazioni lineari, poiché la direzione degli accelerometri lineari rimane invariata.
Il grande svantaggio di questo schema è quello di impiegare molte parti meccaniche costose di precisione. Questo schema è dotato di parti in movimento che possono usurarsi o incepparsi, ed è vulnerabile alla perdita di un grado di libertà. Il sistema PGCS (Primary Guidance Sistem) del veicolo spaziale Apollo faceva uso di una piattaforma a tre assi stabilizzata a giroscopio, che forniva dati al calcolatore di guida dell'Apollo.
Piattaforme a stabilizzazione giroscopica a sospensione fluida La perdita di un grado di libertà a causa del fenomeno noto come blocco cardanico limita la manovrabilità e sarebbe benefico eliminare i collettori ad anello ed i cuscinetti del supporto cardanico. Pertanto, alcuni sistemi utilizzano cuscinetti a fluido oppure una camera galleggiante per montare la piattaforma stabilizzata. Questi sistemi possono presentare precisioni molto elevate (e.g. Advanced Inertial Reference Sphere). Come tutte le piattaforme girostabilizzate, questo sistema funziona bene con calcolatori relativamente lenti e di basso consumo.
Tali cuscinetti fluidi sono degli oggetti con dei fori attraverso i quali del gas inerte (come l'elio) pressurizzato ovvero dell'olio va a premere contro il guscio sferico della piattaforma. Detti cuscinetti fluidi sono molto scorrevoli, e la piattaforma sferica può liberamente ruotare. Normalmente ci sono quattro aggetti di supporto, sistemati con disposizione tetraedrale per sostenere la piattaforma.
Normalmente, nei sistemi di qualità superiore i sensori angolari sono dei trasformatori differenziali lineari i cui avvolgimenti sono realizzati su una scheda a formato di striscia circuitale stampata flessibile. Parecchie di tali strisce sono montate sui circoli equatoriali attorno al guscio sferico della piattaforma girostabilizzata. Elementi elettronici all'esterno della piattaforma utilizzano simili trasformatori differenziali per leggere i campi magnetici variabili generati dai trasformatori avvolti attorno alla piattaforma sferica. Ogni volta che un campo magnetico cambia di forma, o si muove, taglierà i fili degli avvolgimenti posti sulle strisce dei trasformatori esterni. Il taglio del flusso genera una corrente elettrica negli avvolgimenti a strisce esterni, e dell'elettronica può misurare detta corrente per ottenere gli angoli.
Dei sistemi economici talvolta impiegano dei codici a barra per percepire gli orientamenti, e fanno uso di celle solari o semplici trasformatori per l'alimentazione. Alcuni piccoli missili hanno la piattaforma alimentata con la luce che proviene dal motore attraverso una finestra o tramite della fibra ottica. Un soggetto di ricerca è quello di sospendere la piattaforma per mezzo della pressione dei gas di scarico. I dati vengono restituiti all'esterno tramite dei trasformatori, talvolta tramite dei LED che comunicano con fotodiodi esterni.
Sistemi in configurazione Strapdown Calcolatori digitali di peso leggero consentono al sistema di eliminare i cardani, dando così origine ai sistemi Strapdown, così nominati perché i loro sensori sono semplicemente assicurati al velivolo. Ciò riduce i costi, elimina la condizione di parallelismo degli assi di rotazione, rimuovere l'esigenza di alcune calibrazioni, ed aumenta l'affidabilità con la eliminazione di alcune delle parti ruotanti. Dei sensori della velocità angolare chiamati "girometri" misurano come varia la velocità angolare del velivolo.
Il sistema Strapdown ha un campo di misurazioni dinamiche parecchie centinaia di volte maggiore di quello richiesto da un sistema in configurazione a cardano. La ragione è che esso deve integrare le variazioni di assetto del velivolo attorno agli assi di imbardata, beccheggio e rollio, nonché significativi movimenti. I sistemi a cardano normalmente possono funzionare correttamente con una frequenza di 50/60 aggiornamenti al secondo. Comunque sia, i sistemi Strapdown si aggiornano di norma circa 2000 volte al secondo. Una più elevata frequenza risulta necessaria per mantenere le misurazioni angolari massime all'interno di un campo pratico per i girometri esistenti: circa 4 milliradianti. La maggior parte dei girometri sono ora interferometri a laser.
Gli algoritmi di aggiornamento dei dati ("coseni direttori" o "Quaternioni") che sono coinvolti sono troppo complessi per essere accuratamente eseguiti se non da elaboratori digitali. Tuttavia, i calcolatori digitali sono ora così economici e veloci che i sistemi a girometri possono ora essere ovunque usati e prodotti in massa. Il modulo lunare Apollo usava un sistema Strapdown nel suo allestimento di riserva.
I sistemi Strapdown sono oggigiorno comunemente impiegati nelle applicazioni commerciali e tattiche (velivoli, missili, etc.). Non sono tuttavia ancora utilizzati su vasta scala nelle applicazioni dove sia richiesta un'elevata accuratezza (come nella navigazione sottomarina o nei sistemi di guida strategici).
Allineamento in movimento L'orientamento di un sistema giroscopico può pure venire talvolta dedotto semplicemente dai dati memorizzati di posizione (per esempio GPS). Questo è, in particolare, il caso dei velivoli e degli automezzi, in cui il vettore velocità normalmente implica l'orientamento del corpo del veicolo.