Was ist Trägheitsnavigation?
Grundlagen der Trägheitsnavigation
Die Grundprinzipien der Trägheitsnavigation ähneln denen anderer Navigationsmethoden. Sie beruht auf der Erfassung wichtiger Informationen, darunter die Ausgangsposition, die Ausgangsorientierung, die 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 Orientierung (Lage) und Position eines sich bewegenden Objekts zu bestimmen, nutzen Trägheitsnavigationssysteme eine Reihe wichtiger Sensoren, hauptsächlich Beschleunigungsmesser und Gyroskope. Diese Sensoren messen Winkelgeschwindigkeit und -beschleunigung des Objekts in einem Inertialsystem. Die Daten werden anschließend integriert und über die Zeit verarbeitet, um Geschwindigkeit und relative Position zu ermitteln. Diese Informationen werden dann zusammen mit den anfänglichen Positionsdaten in das Navigationskoordinatensystem transformiert, woraus schließlich die aktuelle Position des Objekts bestimmt wird.
Funktionsprinzipien von Trägheitsnavigationssystemen
Trägheitsnavigationssysteme arbeiten als autarke, intern geregelte Navigationssysteme. Sie benötigen keine externen Echtzeitdaten zur Fehlerkorrektur während der Bewegung des Trägers. Daher eignet sich ein einzelnes Trägheitsnavigationssystem für kurzzeitige Navigationsaufgaben. Für Langzeiteinsätze muss es mit anderen Navigationsmethoden, wie beispielsweise satellitengestützten Navigationssystemen, kombiniert werden, um die akkumulierten internen Fehler regelmäßig zu korrigieren.
Die Verbergbarkeit der Trägheitsnavigation
In modernen Navigationstechnologien wie der astronomischen, der Satelliten- und der Funknavigation zeichnet sich die Trägheitsnavigation durch ihre Autonomie aus. Sie sendet weder Signale an die Umgebung aus noch ist sie von Himmelskörpern oder externen Signalen abhängig. Daher bieten Trägheitsnavigationssysteme ein Höchstmaß an Diskretion und eignen sich ideal für Anwendungen, die höchste Vertraulichkeit erfordern.
Offizielle Definition der Trägheitsnavigation
Das Trägheitsnavigationssystem (INS) ist ein Navigationsparameter-Schätzsystem, das Gyroskope und Beschleunigungsmesser als Sensoren nutzt. Basierend auf den Gyroskopdaten erstellt das System ein Navigationskoordinatensystem und berechnet mithilfe der Beschleunigungsmesserdaten Geschwindigkeit und Position des Trägers innerhalb dieses Koordinatensystems.
Anwendungen der Trägheitsnavigation
Die Trägheitstechnologie findet in verschiedensten Bereichen Anwendung, darunter Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Erdölexploration, Geodäsie, ozeanografische Vermessungen, geologische Bohrungen, Robotik und Eisenbahnsysteme. Mit der Entwicklung fortschrittlicher Trägheitssensoren hat sich ihr Einsatzgebiet unter anderem auf die Automobilindustrie und die Medizintechnik ausgeweitet. Diese wachsende Zahl von Anwendungen unterstreicht die zunehmend zentrale Rolle der Trägheitsnavigation für hochpräzise Navigation und Positionierung in einer Vielzahl von Anwendungen.
Die Kernkomponente der Trägheitsnavigation:Faseroptisches Gyroskop
Einführung in faseroptische Gyroskope
Trägheitsnavigationssysteme sind stark von der Genauigkeit ihrer Kernkomponenten abhängig. Eine dieser Komponenten, die die Leistungsfähigkeit dieser Systeme erheblich verbessert hat, ist das Faseroptik-Gyroskop (FOG). Das FOG ist ein entscheidender Sensor, der eine zentrale Rolle bei der hochpräzisen Messung der Winkelgeschwindigkeit des Trägers spielt.
Betrieb eines faseroptischen Gyroskops
FOGs (Faseroptikgeneratoren) basieren auf dem Sagnac-Effekt. Dabei wird ein Laserstrahl in zwei separate Strahlen aufgespalten, die sich in entgegengesetzter Richtung entlang einer aufgewickelten Glasfaserschleife ausbreiten. Dreht sich der mit dem FOG versehene Träger, ist die Laufzeitdifferenz der beiden Strahlen proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Trägerrotation. Diese Zeitverzögerung, die sogenannte Sagnac-Phasenverschiebung, wird präzise gemessen. Dadurch liefert der FOG genaue Daten zur Rotation des Trägers.
Das Funktionsprinzip eines faseroptischen Gyroskops beruht auf der Aussendung eines Lichtstrahls von einem Fotodetektor. Dieser Lichtstrahl durchläuft einen Koppler, tritt an einem Ende ein und am anderen wieder aus. Anschließend durchläuft er eine optische Schleife. Zwei Lichtstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen treten in die Schleife ein und bilden nach einem Umlauf eine kohärente Überlagerung. Das zurückkehrende Licht trifft erneut auf eine Leuchtdiode (LED), deren Intensität gemessen wird. Obwohl das Prinzip eines faseroptischen Gyroskops einfach erscheint, liegt 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.
1: Superlumineszenzdiode 2: Fotodetektordiode
3. Lichtquellenkoppler 4.Faserringkoppler 5. Glasfaserring
Vorteile von faseroptischen Gyroskopen
FOGs bieten zahlreiche Vorteile, die sie in Trägheitsnavigationssystemen unverzichtbar machen. Sie sind bekannt für ihre außergewöhnliche Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Im Gegensatz zu mechanischen Gyroskopen besitzen FOGs keine beweglichen Teile, wodurch das Verschleißrisiko minimiert wird. Zudem sind sie stoß- und vibrationsfest und eignen sich daher ideal für anspruchsvolle Umgebungen wie die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigungsindustrie.
Integration von faseroptischen Gyroskopen in die Trägheitsnavigation
Inertialnavigationssysteme setzen aufgrund ihrer hohen Präzision und Zuverlässigkeit zunehmend auf FOGs (Focused Open Gyroskope). Diese Gyroskope liefern die entscheidenden Winkelgeschwindigkeitsmessungen, die für die genaue Bestimmung von Orientierung und Position erforderlich sind. Durch die Integration von FOGs in bestehende Inertialnavigationssysteme profitieren Anwender von einer verbesserten Navigationsgenauigkeit, insbesondere in Situationen, die höchste Präzision erfordern.
Anwendungen von faseroptischen Gyroskopen in der Trägheitsnavigation
Der Einsatz von FOGs hat die Anwendungsmöglichkeiten von Trägheitsnavigationssystemen in verschiedenen Bereichen erweitert. In der Luft- und Raumfahrt bieten FOG-ausgestattete Systeme präzise Navigationslösungen für Flugzeuge, Drohnen und Raumfahrzeuge. Sie werden auch in der Schifffahrt, bei geologischen Erkundungen und in der fortgeschrittenen Robotik umfassend eingesetzt und ermöglichen so einen leistungsfähigeren und zuverlässigeren Betrieb dieser Systeme.
Verschiedene Strukturvarianten von faseroptischen Gyroskopen
Faseroptische Gyroskope gibt es in verschiedenen Bauformen, wobei die derzeit im technischen Bereich vorherrschende die folgende ist:geschlossener polarisationserhaltender faseroptischer GyroskopDas Herzstück dieses Gyroskops ist daspolarisationserhaltende FaserschleifeDie Spule besteht aus polarisationserhaltenden Fasern und einem präzise konstruierten Rahmen. Ihre Herstellung erfolgt mittels eines vierfach symmetrischen Wickelverfahrens, ergänzt durch ein spezielles Dichtungsgel, wodurch eine Festkörper-Faserspule entsteht.
Hauptmerkmale vonPolarisationserhaltende Glasfaser Gyro Coil
▶Einzigartiges Framework-Design:Die Gyroskopschleifen zeichnen sich durch eine besondere Rahmenkonstruktion aus, die verschiedene Arten von polarisationserhaltenden Fasern problemlos aufnimmt.
▶Vierfache symmetrische Wickeltechnik:Die vierfach symmetrische Wickeltechnik minimiert den Shupe-Effekt und gewährleistet so präzise und zuverlässige Messungen.
▶Hochwertiges Dichtungsgelmaterial:Durch den Einsatz hochentwickelter Dichtungsgelmaterialien in Kombination mit einer einzigartigen Aushärtungstechnik wird die Vibrationsbeständigkeit erhöht, wodurch diese Gyroskopschleifen ideal für Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen geeignet sind.
▶Hochtemperatur-Kohärenzstabilität:Die Gyroskopschleifen weisen eine hohe Kohärenzstabilität bei hohen Temperaturen auf, wodurch die Genauigkeit auch unter wechselnden thermischen Bedingungen gewährleistet wird.
▶Vereinfachtes, leichtgewichtiges Framework:Die Gyroskopschleifen sind mit einem einfachen, aber dennoch leichten Rahmen konstruiert, der eine hohe Verarbeitungsgenauigkeit gewährleistet.
▶Gleichmäßiger Wickelprozess:Der Wickelprozess bleibt stabil und passt sich den Anforderungen verschiedener Präzisionsfaseroptik-Gyroskope an.
Referenz
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Woodman, OJ (2007). Eine Einführung in die Trägheitsnavigation.Universität Cambridge, Computerlabor, UCAM-CL-TR-696.
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