Bases théoriques du système de navigation inertielle (SNI)
Introduction
Un Système de Navigation Inertielle (SNI) est une technologie de navigation autonome basée sur des capteurs inertiels tels que les gyroscopes et les accéléromètres. Le SNI ne dépend pas de signaux externes, offrant une grande discrétion, une forte capacité anti-interférence et un fonctionnement par tous les temps. Il est largement utilisé dans l'aérospatiale, les drones, la navigation maritime et les véhicules autonomes. La compréhension de la navigation inertielle commence par ses fondements théoriques—les lois du mouvement de Newton.
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1. Bases théoriques : les trois lois de Newton
1.1 Première loi de Newton : loi de l'inertie
« Un objet au repos reste au repos, et un objet en mouvement continue en mouvement uniforme, à moins qu'il ne soit soumis à une force extérieure. »
Cette loi révèle la propriété des objets à maintenir leur état de mouvement—l'inertie. Le SNI utilise ce principe en mesurant les changements de mouvement du porteur dans l'espace inertiel pour calculer sa position, sa vitesse et son attitude.
Mots-clés : Navigation inertielle, Inertie, Capteurs inertiels, SNI, Estimation de l'état de mouvement
1.2 Deuxième loi de Newton : dynamique
« L'accélération d'un objet est proportionnelle à la force appliquée et inversement proportionnelle à sa masse, c'est-à-dire a = F/m. »
En navigation inertielle, les accéléromètres sont basés sur cette loi, mesurant la force spécifique agissant sur le porteur pour calculer l'accélération, qui est ensuite intégrée pour obtenir la vitesse et le déplacement.
Mots-clés : Accéléromètre, Dynamique, Mesure de la force spécifique, Centrale inertielle, Équations du mouvement
1.3 Troisième loi de Newton : action et réaction
« Pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée. »
Cette loi se manifeste dans le SNI comme le couplage mécanique entre les capteurs et le porteur, ce qui est essentiel pour le contrôle des vibrations, la compensation des erreurs et la modélisation du système.
Mots-clés : Couplage mécanique, Compensation des erreurs, Modélisation du système, Algorithme de navigation inertielle
2. Repère inertiel : référence pour la navigation
La validité des lois de Newton nécessite un repère inertiel. Dans le SNI, le repère inertiel géocentrique (ECI) ou les repères de navigation tels que le repère Nord-Est-Bas (NED) sont généralement sélectionnés comme références pour le calcul de la trajectoire du porteur.
Mots-clés : Repère inertiel, ECI, Repère de navigation, Système de référence, Calcul de trajectoire
3. Composants et technologies clés du SNI
Un SNI typique se compose de :
- Centrale inertielle (IMU): comprend des gyroscopes 3 axes et des accéléromètres 3 axes
- Ordinateur de navigation: exécute des algorithmes de navigation inertielle, tels que le système de navigation inertielle asservi (SINS)
- Filtre de Kalman: pour la fusion multi-capteurs et la correction des erreurs
La technologie de navigation inertielle est un composant essentiel des systèmes de navigation modernes de haute précision. Des lois de Newton aux repères inertiels, et des capteurs aux algorithmes, chaque étape reflète une intégration profonde de la physique et de l'ingénierie. Avec les progrès de la technologie MEMS, le SNI devient moins cher, plus précis et plus compact, trouvant des applications plus larges dans les véhicules autonomes, la robotique et les appareils portables intelligents.
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