Інерціальна навігація

Компоненти FOGs Solutions

Що таке інерціальна навігація?

Основи інерціальної навігації

Основні принципи інерціальної навігації схожі з принципами інших методів навігації. Він ґрунтується на отриманні ключової інформації, включаючи початкове положення, початкову орієнтацію, напрямок і орієнтацію руху в кожен момент, і поступову інтеграцію цих даних (аналогічно операціям математичної інтеграції) для точного визначення параметрів навігації, таких як орієнтація та позиція.

Роль датчиків в інерціальній навігації

Щоб отримати інформацію про поточну орієнтацію (ставлення) і положення рухомого об’єкта, інерціальні навігаційні системи використовують набір критичних датчиків, які в основному складаються з акселерометрів і гіроскопів. Ці датчики вимірюють кутову швидкість і прискорення носія в інерціальній системі відліку. Потім дані інтегруються та обробляються з часом для отримання інформації про швидкість і відносне положення. Згодом ця інформація трансформується в навігаційну систему координат у поєднанні з початковими даними про місцезнаходження, що завершується визначенням поточного місцезнаходження носія.

Принципи роботи інерціальних навігаційних систем

Інерціальні навігаційні системи працюють як автономні внутрішні замкнуті навігаційні системи. Вони не покладаються на оновлення зовнішніх даних у реальному часі для виправлення помилок під час руху носія. Таким чином, єдина інерціальна навігаційна система підходить для короткочасних навігаційних завдань. Для довготривалих операцій його необхідно поєднувати з іншими методами навігації, такими як системи супутникової навігації, щоб періодично виправляти накопичені внутрішні помилки.

Прихованість інерціальної навігації

У сучасних навігаційних технологіях, включаючи астронавігацію, супутникову навігацію і радіонавігацію, інерціальна навігація виділяється як автономна. Він не випромінює сигналів у зовнішнє середовище і не залежить від небесних об’єктів чи зовнішніх сигналів. Отже, інерціальні навігаційні системи пропонують найвищий рівень приховуваності, що робить їх ідеальними для застосувань, які вимагають максимальної конфіденційності.

Офіційне визначення інерціальної навігації

Інерціальна навігаційна система (INS) — це система оцінки параметрів навігації, яка використовує гіроскопи та акселерометри як датчики. Система, заснована на вихідних даних гіроскопів, встановлює навігаційну систему координат, одночасно використовуючи вихідні дані акселерометрів для обчислення швидкості та положення носія в навігаційній системі координат.

Застосування інерціальної навігації

Інерційна технологія знайшла широке застосування в різноманітних галузях, включаючи аерокосмічну, авіаційну, морську, розвідку нафти, геодезію, океанографічні дослідження, геологічне буріння, робототехніку та залізничні системи. З появою передових інерційних датчиків інерційна технологія поширила свою корисність на автомобільну промисловість і медичні електронні пристрої, серед інших сфер. Це розширення сфери застосування підкреслює все більш ключову роль інерціальної навігації у забезпеченні високоточних можливостей навігації та позиціонування для багатьох програм.

Основний компонент інерційного наведення:Волоконно-оптичний гіроскоп

Вступ до волоконно-оптичних гіроскопів

Інерціальні навігаційні системи значною мірою покладаються на точність і точність своїх основних компонентів. Одним із таких компонентів, який значно розширив можливості цих систем, є волоконно-оптичний гіроскоп (FOG). FOG є критично важливим датчиком, який відіграє ключову роль у вимірюванні кутової швидкості носія з надзвичайною точністю.

Робота оптоволоконного гіроскопа

ВОГ працюють за принципом ефекту Саньяка, який передбачає поділ лазерного променя на два окремих шляхи, що дозволяє йому рухатися в протилежних напрямках уздовж згорнутої волоконно-оптичної петлі. Коли носій, вбудований у ВОГ, обертається, різниця в часі проходження між двома променями пропорційна кутовій швидкості обертання носія. Ця затримка часу, відома як фазовий зсув Саньяка, потім точно вимірюється, що дозволяє ВОГ надавати точні дані щодо обертання носія.

Принцип роботи оптоволоконного гіроскопа полягає в випромінюванні пучка світла від фотоприймача. Цей світловий промінь проходить через муфту, входячи з одного кінця та виходячи з іншого. Потім він проходить через оптичну петлю. Два пучки світла, що йдуть з різних боків, входять у цикл і завершують узгоджену суперпозицію після обертання навколо. Зворотне світло знову потрапляє на світлодіод (LED), який використовується для визначення його інтенсивності. Хоча принцип оптоволоконного гіроскопа може здатися простим, найважливіша проблема полягає в усуненні факторів, які впливають на довжину оптичного шляху двох світлових променів. Це одна з найбільш критичних проблем, з якою стикаються при розробці волоконно-оптичних гіроскопів.

1: суперлюмінесцентний діод 2: діод фотодетектора

3. муфта джерела світла 4.волоконно-кільцева муфта 5.оптичне волоконне кільце

Переваги волоконно-оптичних гіроскопів

ВОГ мають ряд переваг, які роблять їх безцінними в інерціальних навігаційних системах. Вони відомі своєю винятковою точністю, надійністю та довговічністю. На відміну від механічних гіроскопів, ВОГ не мають рухомих частин, що знижує ризик зносу. Крім того, вони стійкі до ударів і вібрації, що робить їх ідеальними для вимогливих середовищ, таких як аерокосмічні та оборонні програми.

Інтеграція волоконно-оптичних гіроскопів в інерціальну навігацію

Інерціальні навігаційні системи все частіше включають ВОГ через їх високу точність і надійність. Ці гіроскопи забезпечують важливі вимірювання кутової швидкості, необхідні для точного визначення орієнтації та положення. Інтегруючи ВОГ в існуючі інерціальні навігаційні системи, оператори можуть отримати переваги від покращеної точності навігації, особливо в ситуаціях, коли необхідна надзвичайна точність.

Застосування волоконно-оптичних гіроскопів в інерціальній навігації

Включення ВОГ розширило застосування інерціальних навігаційних систем у різних областях. В аерокосмічній та авіаційній промисловості системи, обладнані FOG, пропонують точні навігаційні рішення для літаків, дронів і космічних кораблів. Вони також широко використовуються в морській навігації, геологічних дослідженнях і передовій робототехніці, що дозволяє цим системам працювати з підвищеною продуктивністю та надійністю.

Різні конструктивні варіанти волоконно-оптичних гіроскопів

Волоконно-оптичні гіроскопи бувають різних структурних конфігурацій, з переважаючою, яка зараз входить у сферу техніки, єволоконно-оптичний гіроскоп із замкнутим контуром підтримки поляризації. В основі цього гіроскопа лежитьволоконна петля, що підтримує поляризацію, що містить волокна, що зберігають поляризацію, і точно розроблену основу. Конструкція цієї петлі передбачає чотирикратний симетричний метод намотування, доповнений унікальним герметизуючим гелем для формування твердотільної котушки петлі волокна.

Основні характеристикиОптичне волокно із збереженням поляризації Gйро Котушка

▶Унікальний дизайн фреймворка:Петлі гіроскопа мають характерну структуру, яка легко вміщує різні типи волокон, що зберігають поляризацію.

▶Техніка чотириразового симетричного намотування:Технологія чотирьохкратного симетричного намотування мінімізує ефект Шупе, забезпечуючи точні та надійні вимірювання.

▶Удосконалений герметизуючий гелевий матеріал:Застосування передових ущільнюючих гелевих матеріалів у поєднанні з унікальною технікою затвердіння підвищує стійкість до вібрацій, що робить ці петлі гіроскопа ідеальними для застосування в складних умовах.

▶Стабільність когерентності при високій температурі:Контури гіроскопа демонструють стабільність високотемпературної когерентності, забезпечуючи точність навіть у змінних температурних умовах.

▶Спрощена полегшена структура:Петлі гіроскопа сконструйовано з простою, але легкою структурою, що гарантує високу точність обробки.

▶Послідовний процес намотування:Процес намотування залишається стабільним, адаптуючись до вимог різних точних волоконно-оптичних гіроскопів.

довідка

Groves, PD (2008). Введення в інерціальну навігацію.Журнал навігації, 61(1), 13-28.

Ель-Шеймі, Н., Хоу, Х. та Ніу, X. (2019). Технології інерційних датчиків для навігаційних додатків: сучасний рівень.Супутникова навігація, 1(1), 1-15.

Вудман, О.Я. (2007). Введення в інерціальну навігацію.Кембриджський університет, комп’ютерна лабораторія, UCAM-CL-TR-696.

Chatila, R., & Laumond, JP (1985). Прив’язка до позиції та послідовне моделювання світу для мобільних роботів.У матеріалах Міжнародної конференції IEEE з робототехніки та автоматизації 1985 року(Том 2, с. 138-145). IEEE.