Trägheitsnavigation

Trägheitsnavigation

FOGs Komponentenlösungen

Was ist Trägheitsnavigation?

Grundlagen der Trägheitsnavigation

                                               

Die Grundprinzipien der Trägheitsnavigation ähneln denen anderer Navigationsmethoden.Es beruht auf der Erfassung wichtiger Informationen, einschließlich der Anfangsposition, der Anfangsorientierung sowie der Richtung und Orientierung der Bewegung zu jedem Zeitpunkt, und der schrittweisen Integration dieser Daten (analog zu mathematischen Integrationsoperationen), um Navigationsparameter wie Orientierung und Position präzise zu bestimmen.

 

Die Rolle von Sensoren in der Trägheitsnavigation

                                               

Um die aktuelle Ausrichtung (Lage) und Positionsinformationen eines sich bewegenden Objekts zu erhalten, verwenden Trägheitsnavigationssysteme eine Reihe wichtiger Sensoren, die hauptsächlich aus Beschleunigungsmessern und Gyroskopen bestehen.Diese Sensoren messen Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung des Trägers in einem Trägheitsbezugssystem.Die Daten werden dann integriert und im Laufe der Zeit verarbeitet, um Geschwindigkeits- und relative Positionsinformationen abzuleiten.Anschließend werden diese Informationen in Verbindung mit den anfänglichen Positionsdaten in das Navigationskoordinatensystem umgewandelt, was in der Bestimmung des aktuellen Standorts des Trägers endet.

 

Funktionsprinzipien von Trägheitsnavigationssystemen

                                               

Trägheitsnavigationssysteme arbeiten als eigenständige, interne Navigationssysteme mit geschlossenem Regelkreis.Sie sind nicht auf externe Datenaktualisierungen in Echtzeit angewiesen, um Fehler während der Bewegung des Spediteurs zu korrigieren.Daher eignet sich ein einzelnes Trägheitsnavigationssystem für Navigationsaufgaben von kurzer Dauer.Für Langzeiteinsätze muss es mit anderen Navigationsmethoden, beispielsweise satellitengestützten Navigationssystemen, kombiniert werden, um die akkumulierten internen Fehler regelmäßig zu korrigieren.

 

Die Verborgenheit der Trägheitsnavigation

                                               

In modernen Navigationstechnologien, einschließlich der Himmelsnavigation, der Satellitennavigation und der Funknavigation, zeichnet sich die Trägheitsnavigation als autonom aus.Es sendet weder Signale an die äußere Umgebung aus noch ist es von Himmelsobjekten oder externen Signalen abhängig.Folglich bieten Trägheitsnavigationssysteme ein Höchstmaß an Versteckbarkeit und eignen sich daher ideal für Anwendungen, die höchste Vertraulichkeit erfordern.

 

Offizielle Definition der Trägheitsnavigation

                                               

Das Trägheitsnavigationssystem (INS) ist ein System zur Schätzung von Navigationsparametern, das Gyroskope und Beschleunigungsmesser als Sensoren verwendet.Das System erstellt basierend auf der Ausgabe von Gyroskopen ein Navigationskoordinatensystem und nutzt gleichzeitig die Ausgabe von Beschleunigungsmessern, um die Geschwindigkeit und Position des Trägers im Navigationskoordinatensystem zu berechnen.

 

Anwendungen der Trägheitsnavigation

                                               

Die Trägheitstechnologie hat weitreichende Anwendungen in verschiedenen Bereichen gefunden, darunter Luft- und Raumfahrt, Luftfahrt, Schifffahrt, Erdölexploration, Geodäsie, ozeanografische Untersuchungen, geologische Bohrungen, Robotik und Eisenbahnsysteme.Mit dem Aufkommen fortschrittlicher Trägheitssensoren hat die Trägheitstechnologie ihren Nutzen unter anderem auf die Automobilindustrie und medizinische elektronische Geräte ausgeweitet.Dieser wachsende Anwendungsbereich unterstreicht die immer wichtigere Rolle der Trägheitsnavigation bei der Bereitstellung hochpräziser Navigations- und Positionierungsfunktionen für eine Vielzahl von Anwendungen.

Die Kernkomponente der Trägheitsführung:Faseroptisches Gyroskop

 

Einführung in faseroptische Gyroskope

Trägheitsnavigationssysteme sind stark auf die Genauigkeit und Präzision ihrer Kernkomponenten angewiesen.Eine solche Komponente, die die Fähigkeiten dieser Systeme erheblich verbessert hat, ist das Fiber Optic Gyroskop (FOG).FOG ist ein entscheidender Sensor, der eine entscheidende Rolle bei der Messung der Winkelgeschwindigkeit des Trägers mit bemerkenswerter Genauigkeit spielt.

 

Betrieb des faseroptischen Gyroskops

FOGs arbeiten nach dem Prinzip des Sagnac-Effekts, bei dem ein Laserstrahl in zwei separate Pfade aufgeteilt wird, sodass er sich entlang einer gewickelten Glasfaserschleife in entgegengesetzte Richtungen bewegen kann.Wenn der im FOG eingebettete Träger rotiert, ist der Unterschied in der Laufzeit zwischen den beiden Strahlen proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Trägerrotation.Diese als Sagnac-Phasenverschiebung bekannte Zeitverzögerung wird dann präzise gemessen, sodass der FOG genaue Daten über die Rotation des Trägers liefern kann.

 

Das Prinzip eines faseroptischen Gyroskops besteht darin, einen Lichtstrahl von einem Fotodetektor auszusenden.Dieser Lichtstrahl durchläuft einen Koppler, tritt an einem Ende ein und tritt am anderen aus.Anschließend durchläuft es eine optische Schleife.Zwei Lichtstrahlen, die aus unterschiedlichen Richtungen kommen, treten in die Schleife ein und vollenden nach dem Umlauf eine kohärente Überlagerung.Das zurückkehrende Licht gelangt erneut in eine Leuchtdiode (LED), die zur Erfassung seiner Intensität dient.Während das Prinzip eines faseroptischen Gyroskops einfach erscheinen mag, besteht die größte Herausforderung darin, Faktoren zu eliminieren, die die optische Weglänge der beiden Lichtstrahlen beeinflussen.Dies ist eines der kritischsten Probleme bei der Entwicklung faseroptischer Gyroskope.

 耦合器

1:Superlumineszenzdiode           2: Fotodetektordiode

3. Lichtquellenkoppler           4.Faserringkoppler            5.optischer Faserring

Vorteile von faseroptischen Gyroskopen

FOGs bieten mehrere Vorteile, die sie in Trägheitsnavigationssystemen von unschätzbarem Wert machen.Sie sind bekannt für ihre außergewöhnliche Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit.Im Gegensatz zu mechanischen Kreiseln haben FOGs keine beweglichen Teile, was das Verschleißrisiko verringert.Darüber hinaus sind sie stoß- und vibrationsfest und eignen sich daher ideal für anspruchsvolle Umgebungen wie Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen.

 

Integration von faseroptischen Gyroskopen in die Trägheitsnavigation

Trägheitsnavigationssysteme integrieren aufgrund ihrer hohen Präzision und Zuverlässigkeit zunehmend FOGs.Diese Gyroskope liefern die entscheidenden Winkelgeschwindigkeitsmessungen, die für die genaue Bestimmung von Orientierung und Position erforderlich sind.Durch die Integration von FOGs in die bestehenden Trägheitsnavigationssysteme können Betreiber von einer verbesserten Navigationsgenauigkeit profitieren, insbesondere in Situationen, in denen extreme Präzision erforderlich ist.

 

Anwendungen von faseroptischen Gyroskopen in der Trägheitsnavigation

Die Einbeziehung von FOGs hat die Anwendungen von Trägheitsnavigationssystemen in verschiedenen Bereichen erweitert.In der Luft- und Raumfahrt bieten mit FOG ausgestattete Systeme präzise Navigationslösungen für Flugzeuge, Drohnen und Raumfahrzeuge.Sie werden auch häufig in der Seeschifffahrt, bei geologischen Untersuchungen und in der fortgeschrittenen Robotik eingesetzt, wodurch diese Systeme mit verbesserter Leistung und Zuverlässigkeit arbeiten können.

 

Verschiedene Aufbauvarianten faseroptischer Gyroskope

Faseroptische Gyroskope gibt es in verschiedenen strukturellen Konfigurationen, wobei die vorherrschende, die derzeit in den Bereich der Technik Einzug hält, die istPolarisationserhaltendes faseroptisches Gyroskop mit geschlossenem Regelkreis.Das Herzstück dieses Gyroskops ist daspolarisationserhaltende Faserschleife, bestehend aus polarisationserhaltenden Fasern und einem präzise gestalteten Gerüst.Der Aufbau dieser Schleife umfasst eine vierfach symmetrische Wickelmethode, ergänzt durch ein einzigartiges Dichtungsgel, um eine feste Faserschleifenspule zu bilden.

 

Hauptmerkmale vonPolarisationserhaltende Glasfaser Gyro Spule

▶Einzigartiges Rahmendesign:Die Gyroskopschleifen zeichnen sich durch ein besonderes Rahmendesign aus, das problemlos verschiedene Arten polarisationserhaltender Fasern aufnehmen kann.

▶Vierfache symmetrische Wickeltechnik:Die vierfach symmetrische Wickeltechnik minimiert den Shupe-Effekt und sorgt so für präzise und zuverlässige Messungen.

▶Fortschrittliches Versiegelungsgel-Material:Der Einsatz fortschrittlicher Dichtungsgelmaterialien in Kombination mit einer einzigartigen Härtungstechnik erhöht die Vibrationsfestigkeit und macht diese Gyroskopschleifen ideal für Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen.

▶Kohärenzstabilität bei hohen Temperaturen:Die Gyroskopschleifen weisen eine hohe Temperaturkohärenzstabilität auf und gewährleisten so Genauigkeit auch bei wechselnden thermischen Bedingungen.

▶Vereinfachtes Lightweight-Framework:Die Gyroskopschleifen sind mit einem einfachen und dennoch leichten Rahmen konstruiert, der eine hohe Verarbeitungspräzision gewährleistet.

▶Konsistenter Wickelprozess:Der Wickelprozess bleibt stabil und passt sich den Anforderungen verschiedener Präzisions-Glasfaserkreisel an.

Referenz

Groves, PD (2008).Einführung in die Trägheitsnavigation.Das Journal of Navigation, 61(1), 13-28.

El-Sheimy, N., Hou, H. & Niu, X. (2019).Inertialsensortechnologien für Navigationsanwendungen: Stand der Technik.Satellitennavigation, 1(1), 1-15.

Woodman, ABl. (2007).Eine Einführung in die Trägheitsnavigation.Universität Cambridge, Computerlabor, UCAM-CL-TR-696.

Chatila, R. & Laumond, JP (1985).Positionsreferenzierung und konsistente Weltmodellierung für mobile Roboter.In Proceedings of the 1985 IEEE International Conference on Robotics and Automation(Bd. 2, S. 138-145).IEEE.

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