Was ist Trägheitsnavigation?
Grundlagen der Trägheitsnavigation
Die Grundprinzipien der Trägheitsnavigation ähneln denen anderer Navigationsmethoden. Sie basiert auf der Erfassung wichtiger Informationen wie Ausgangsposition, Ausgangsorientierung sowie Bewegungsrichtung und -ausrichtung 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 bewegten Objekts zu ermitteln, nutzen Trägheitsnavigationssysteme eine Reihe wichtiger Sensoren, hauptsächlich Beschleunigungsmesser und Gyroskope. Diese Sensoren messen die Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung des Trägers in einem Trägheitsreferenzrahmen. Die Daten werden anschließend integriert und im Zeitverlauf verarbeitet, um Geschwindigkeits- und relative Positionsinformationen abzuleiten. Anschließend werden diese Informationen zusammen mit den ursprünglichen Positionsdaten in das Navigationskoordinatensystem transformiert, wodurch der aktuelle Standort des Trägers bestimmt wird.
Funktionsprinzipien von Trägheitsnavigationssystemen
Trägheitsnavigationssysteme arbeiten als eigenständige, interne Navigationssysteme mit geschlossenem Regelkreis. Sie sind nicht auf externe Echtzeit-Datenaktualisierungen angewiesen, um Fehler während der Bewegung des Trägers zu korrigieren. Daher eignet sich ein einzelnes Trägheitsnavigationssystem für kurzzeitige Navigationsaufgaben. Für langfristige Einsätze muss es mit anderen Navigationsmethoden, wie beispielsweise satellitengestützten Navigationssystemen, kombiniert werden, um die akkumulierten internen Fehler regelmäßig zu korrigieren.
Die Verdeckbarkeit der Trägheitsnavigation
In modernen Navigationstechnologien, darunter Astronavigation, Satellitennavigation und Funknavigation, zeichnet sich die Trägheitsnavigation durch ihre Autonomie aus. Sie sendet weder Signale an die Umgebung aus noch ist sie von Himmelsobjekten oder externen Signalen abhängig. Daher bieten Trägheitsnavigationssysteme ein Höchstmaß an Verdeckbarkeit 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 nutzt. Das System erstellt anhand der Gyroskop-Daten ein Navigationskoordinatensystem und berechnet anhand der Beschleunigungsmesser die Geschwindigkeit und Position des Trägers im Navigationskoordinatensystem.
Anwendungen der Trägheitsnavigation
Trägheitstechnologie findet vielfältige Anwendung in verschiedenen Bereichen, darunter Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Erdölförderung, Geodäsie, ozeanografische Untersuchungen, geologische Bohrungen, Robotik und Schienenverkehr. Mit der Einführung fortschrittlicher Trägheitssensoren hat sich die Anwendung der Trägheitstechnologie unter anderem auf die Automobilindustrie und medizinische Elektronikgeräte ausgeweitet. Dieses wachsende Anwendungsspektrum unterstreicht die zunehmend zentrale Rolle der Trägheitsnavigation bei der Bereitstellung hochpräziser Navigations- und Positionierungsmöglichkeiten für eine Vielzahl von Anwendungen.
Die Kernkomponente der Trägheitsnavigation:Glasfaser-Gyroskop
Einführung in faseroptische Gyroskope
Trägheitsnavigationssysteme sind in hohem Maße auf die Genauigkeit und Präzision ihrer Kernkomponenten angewiesen. Eine Komponente, die die Leistungsfähigkeit dieser Systeme deutlich verbessert hat, ist das faseroptische Gyroskop (FOG). Das FOG ist ein wichtiger Sensor, der die Winkelgeschwindigkeit des Trägers mit bemerkenswerter Genauigkeit misst.
Funktionsweise eines Glasfasergyroskops
FOGs basieren auf dem Prinzip des Sagnac-Effekts. Dabei wird ein Laserstrahl in zwei separate Bahnen aufgeteilt, sodass er sich in entgegengesetzter Richtung entlang einer gewickelten Glasfaserschleife bewegt. Rotiert der im FOG eingebettete Träger, ist die Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Strahlen proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Trägerrotation. Diese Zeitverzögerung, die sogenannte Sagnac-Phasenverschiebung, wird präzise gemessen, sodass der FOG genaue Daten zur Trägerrotation liefert.
Das Prinzip eines faseroptischen Gyroskops besteht darin, einen Lichtstrahl von einem Fotodetektor auszusenden. Dieser Lichtstrahl durchläuft einen Koppler, tritt an einem Ende ein und am anderen 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), die seine Intensität misst. Obwohl das Prinzip eines faseroptischen Gyroskops einfach erscheint, 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 von faseroptischen Gyroskopen.
1: Superlumineszenzdiode 2: Fotodetektordiode
3. Lichtquellenkoppler 4.Faserringkoppler 5. Glasfaserring
Vorteile von faseroptischen Gyroskopen
FOGs bieten mehrere Vorteile, die sie für Trägheitsnavigationssysteme unverzichtbar machen. Sie sind bekannt für ihre außergewöhnliche Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Im Gegensatz zu mechanischen Gyroskopen haben FOGs keine beweglichen Teile, wodurch das Verschleißrisiko reduziert wird. Darüber hinaus sind sie stoß- und vibrationsfest und eignen sich daher ideal für anspruchsvolle Umgebungen wie die Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungsanwendungen.
Integration von faseroptischen Gyroskopen in die Trägheitsnavigation
Aufgrund ihrer hohen Präzision und Zuverlässigkeit werden in Trägheitsnavigationssystemen zunehmend FOGs eingesetzt. Diese Gyroskope liefern die entscheidenden Winkelgeschwindigkeitsmessungen, die für die genaue Bestimmung von Orientierung und Position erforderlich sind. Durch die Integration von FOGs in bestehende Trägheitsnavigationssysteme profitieren Bediener von einer verbesserten Navigationsgenauigkeit, insbesondere in Situationen, in denen höchste Präzision erforderlich ist.
Anwendungen von faseroptischen Gyroskopen in der Trägheitsnavigation
Die Integration von FOGs hat die Anwendungsmöglichkeiten von Trägheitsnavigationssystemen in verschiedenen Bereichen erweitert. In der Luft- und Raumfahrt bieten mit FOGs ausgestattete Systeme präzise Navigationslösungen für Flugzeuge, Drohnen und Raumfahrzeuge. Sie werden auch häufig in der maritimen Navigation, bei geologischen Untersuchungen und in der fortgeschrittenen Robotik eingesetzt und ermöglichen so einen leistungsstärkeren und zuverlässigeren Betrieb dieser Systeme.
Verschiedene Aufbauvarianten von faseroptischen Gyroskopen
Faseroptische Gyroskope gibt es in verschiedenen strukturellen Konfigurationen, wobei die vorherrschende derzeit in den Bereich der Technik gelangt ist:Polarisationserhaltender Glasfaserkreisel mit geschlossenem RegelkreisDas Herzstück dieses Gyroskops ist derpolarisationserhaltende Faserschleife, bestehend aus polarisationserhaltenden Fasern und einem präzise konstruierten Rahmen. Die Konstruktion dieser Schleife erfolgt durch eine vierfach symmetrische Wicklungsmethode, ergänzt durch ein einzigartiges Versiegelungsgel, um eine Festkörperfaser-Schleifenspule zu bilden.
Hauptmerkmale vonPolarisationserhaltende Glasfaser Gyro-Spule
▶Einzigartiges Framework-Design:Die Gyroskopschleifen verfügen über ein besonderes Rahmendesign, das problemlos verschiedene Arten polarisationserhaltender Fasern aufnehmen kann.
▶Vierfach symmetrische Wickeltechnik:Die vierfach symmetrische Wicklungstechnik minimiert den Shupe-Effekt und gewährleistet präzise und zuverlässige Messungen.
▶ Fortschrittliches Versiegelungsgelmaterial:Der Einsatz fortschrittlicher Dichtungsgelmaterialien in Kombination mit einer einzigartigen Aushärtungstechnik erhöht die Vibrationsfestigkeit und macht diese Gyroskopschleifen ideal für Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen.
▶Hohe Temperatur-Kohärenzstabilität:Die Gyroskopschleifen weisen eine hohe Temperaturkohärenzstabilität auf und gewährleisten so Genauigkeit auch bei unterschiedlichen thermischen Bedingungen.
▶Vereinfachtes Lightweight-Framework:Die Gyroskopschleifen sind mit einem einfachen und dennoch leichten Rahmen konstruiert, der eine hohe Verarbeitungspräzision garantiert.
▶Konsistenter Wickelprozess:Der Wickelprozess bleibt stabil und passt sich den Anforderungen verschiedener Präzisions-Glasfaserkreisel an.
Referenz
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