Гравитационная навигационная система
Гравитационная навигационная система – дублирующая система навигации межконтинентальных баллистических ракет, использующая гравиметрическую карту Земли созданную спутниками гравитационного картографирования.
Гравиметрическая карта передает гравитационный рельеф Земли (гравитационный геоид), который нужно по некоторым территориям обновлять (не чаще нескольких десятков лет для баллистических ракет) после землетрясений.
Гравиметрическая карта Земли высокого разрешения гостайна стран имеющих технологию её получения.
Исторически 1-я в ракетостроении – установленная в 1980-х на гироплатформе гантельная гравитационная навигационная система.
Двухмерный датчик гравитации – две гантели из тяжелого немагнитного твердого сплава, вращающихся на практически пересекающихся под прямым углом нитях крутильных весов.
Гантели крест на крест расположены в одной плоскости. Их продольные оси перпендикулярны нитям крутильных весов.
Каждая половинка гантели находится между двумя половинками другой гантели.
Гантели, стремясь расположиться параллельно вектору силы гравитации, поворачиваются на нанометры. На гантелях зеркала образуют с парными зеркалами в корпусе датчика лазерный интерферометр, превращающий взаимное перемещение зеркал в выходной сигнал пропорциональный частоте биений между частотой зеркальной волны и частотой опорного генератора волны.
Частота зеркальной волны и частота опорного генератора волны в виде разнесенных параллельных лучей, дают из-за сферической формы двух волн падающих на плоскую поверхность, интерференционные полосы на линейном многопиксельном фотоприемнике. При изменении частоты биений интерференционные полосы двигаются вдоль фотоприемника. Фотоприемник превращает движение интерференционных полос в выходной электрический сигнал.
Трехмерный вектор силы гравитации получают за счет накопления сигнала и перемещения ракеты перпендикулярно плоскости двухмерного вектора гравитации гравитационного датчика.
У термостабилизированной гантельной (взаимно перпендикулярные две гантели на крутильных весах) гравитационной навигационной системы морской ядерной ракеты «Трайдент» (вес датчика 20кг) круговое вероятное отклонение 500м (независимо от дальности полета) при отклонении конца вектора силы гравитации 10 в минус 5-й, 10 в минус 6-й степени длины вектора.
Проекция этого вектора силы на горизонтальную плоскость дает сигнал коррекции движения ракеты. Наибольший вклад в точность гравитационной навигационной системы вносит информация об скорости изменении величины и знаке боковой проекции вектора силы гравитации на горизонтальную плоскость.
В момент коррекции движения сигнал гравитационного датчика теряется, координаты ведут другие навигационные системы. От алгоритма софта и системы коррекции курса требуют минимальное суммарное время коррекции курса за всё время полета.
Точность гравитационного датчика ограничена необходимостью увеличивать период усреднения (фильтрация вибраций ракеты) ускорения по вертикали при росте вибраций ракеты от сопротивления внешней среды, от активного управления ракетой борткомпьютером.
Точность гравитационного датчика прямо пропорциональна скорости изменения силы гравитации по ходу полета ракеты. Более низкие траектории полета ракеты увеличивают точность гравитационного датчика.
Гравитационный датчик ракет сравнивая полученный в полете гравитационный рельеф прилегающей местности с гравиметрической картой высокого разрешения в борткомпьютере, находит координаты ракеты даже без начальных координат.
Борткомпьютер ракеты вводит поправки на центробежную силу вращения ракеты вокруг центра масс Земли, на высоту полета и ускорения ракеты, на положение векторов сил гравитации Луны и Солнца по траектории полета ракеты, на изменение массы топлива в ракете.
Искусственно создать помехи гравитационному датчику невозможно в отличие от других систем навигации.
В 2000-х в Евросоюзе создан гравитационный датчик спутника на основе двух взаимно перпендикулярно соединенных одним концом интерферометров Майкельсона с немагнитными тяжелыми зеркалами на всех трех концах датчика. Датчик в спутнике гравитационного картографирования дал точность примерно в 1000 раз выше датчика гантельного типа: спутник определял изменение силы гравитации на уровне одной десятитриллионной.
На новый тип датчика перешли ядерные баллистические ракеты России, Франции, США. Новый гравитационный датчик дает точность определения координат (зависит от разрешения спутниковой гравитационной карты Земли) примерно 90м, но из-за вибрации не работает на конечном атмосферном участке траектории полета. На конечном участке работают спутниковая, инерциальная системы навигации.
Конструктивный аналог нового датчика – датчик гравитационных волн LIGO из двух взаимно перпендикулярно соединенных одним концом интерферометров Майкельсона, дающих выходной сигнал по принципу накопления сдвига фаз между импульсами света обоих 4-километровых плеч датчика LIGO. Датчик LIGO впервые в истории детектировал гравитационные волны.
Для увеличения чувствительности в каждом из двух плеч датчика LIGO ячейка Фарадея (модулятор света) пропускает через полупрозрачное зеркало-1 монохроматический импульс света к парному зеркалу-2 на расстоянии 4км. Затем ячейка Фарадея делает зеркало-1 непрозрачным, пока импульс света не переотразится между зеркалами 4000 раз. Затем ячейка Фарадея делает зеркало-1 снова прозрачным, чтобы импульс света попал на фотодетектор.
За эти 4000 отражений импульса света от зеркал-1-2 чувствительность датчика вырастает в 2000 раз, что эквивалентно увеличению длины плеча датчика LIGO с 4км до 8000км. Аналогично устроено второе 4-километровое плечо датчика LIGO. Множество подобных решений на высоком инженерном уровне позволяют датчику LIGO фиксировать изменение расстояния между зеркалами на 0,001 диаметра протона.
Имея такую точность подлодки, надводные военные корабли гравитационным датчиком по повороту проекции вектора силы гравитации в горизонтальной плоскости, находили бы крупные подлодки противника на расстоянии многих километров.