Инерциальная навигация

Решения для компонентов противотуманных газов

Что такое инерциальная навигация?

Основы инерциальной навигации

Фундаментальные принципы инерциальной навигации аналогичны принципам других методов навигации. Он основан на получении ключевой информации, включая начальное положение, начальную ориентацию, направление и ориентацию движения в каждый момент, и постепенной интеграции этих данных (аналогично операциям математического интегрирования) для точного определения параметров навигации, таких как ориентация и положение.

Роль датчиков в инерциальной навигации

Для получения текущей информации об ориентации (отношении) и положении движущегося объекта в инерциальных навигационных системах используется набор критически важных датчиков, в основном состоящих из акселерометров и гироскопов. Эти датчики измеряют угловую скорость и ускорение носителя в инерциальной системе отсчета. Затем данные интегрируются и обрабатываются с течением времени для получения информации о скорости и относительном положении. В дальнейшем эта информация преобразуется в навигационную систему координат совместно с данными исходного положения, что завершается определением текущего местоположения носителя.

Принципы работы инерциальных навигационных систем

Инерциальные навигационные системы работают как автономные внутренние навигационные системы с замкнутым контуром. Они не полагаются на обновление внешних данных в режиме реального времени для исправления ошибок во время движения носителя. Таким образом, единая инерциальная навигационная система подходит для кратковременных навигационных задач. Для длительных операций его необходимо комбинировать с другими методами навигации, например, со спутниковыми навигационными системами, чтобы периодически исправлять накопленные внутренние ошибки.

Скрытность инерциальной навигации

В современных навигационных технологиях, в том числе в астронавигации, спутниковой навигации и радионавигации, инерциальная навигация выделяется как автономная. Он не излучает сигналов во внешнюю среду, не зависит от небесных объектов или внешних сигналов. Следовательно, инерциальные навигационные системы обеспечивают высочайший уровень скрытности, что делает их идеальными для приложений, требующих максимальной конфиденциальности.

Официальное определение инерциальной навигации

Инерциальная навигационная система (ИНС) — это система оценки навигационных параметров, в которой в качестве датчиков используются гироскопы и акселерометры. Система, основанная на выходных данных гироскопов, устанавливает навигационную систему координат, используя при этом выходные данные акселерометров для расчета скорости и положения носителя в навигационной системе координат.

Приложения инерциальной навигации

Инерционная технология нашла широкое применение в различных областях, включая аэрокосмическую, авиационную, морскую, разведку нефти, геодезию, океанографические исследования, геологическое бурение, робототехнику и железнодорожные системы. С появлением современных инерционных датчиков инерционная технология распространилась, среди прочего, на автомобильную промышленность и медицинские электронные устройства. Расширяющаяся сфера применения подчеркивает все более важную роль инерциальной навигации в обеспечении возможностей высокоточной навигации и позиционирования для множества приложений.

Основной компонент инерциального наведения:Волоконно-оптический гироскоп

Введение в оптоволоконные гироскопы

Инерциальные навигационные системы во многом зависят от точности и точности своих основных компонентов. Одним из таких компонентов, который значительно расширил возможности этих систем, является волоконно-оптический гироскоп (FOG). FOG — это важный датчик, который играет ключевую роль в измерении угловой скорости носителя с поразительной точностью.

Работа оптоволоконного гироскопа

ВОГ работают по принципу эффекта Саньяка, который включает разделение лазерного луча на два отдельных пути, что позволяет ему двигаться в противоположных направлениях по спиральной оптоволоконной петле. Когда носитель, встроенный в ВОГ, вращается, разница во времени прохождения между двумя лучами пропорциональна угловой скорости вращения носителя. Эта временная задержка, известная как фазовый сдвиг Саньяка, затем точно измеряется, что позволяет FOG предоставлять точные данные о вращении несущей.

Принцип действия оптоволоконного гироскопа заключается в излучении луча света фотодетектором. Этот световой луч проходит через соединитель, входя с одного конца и выходя с другого. Затем он проходит через оптическую петлю. Два луча света, идущие с разных направлений, входят в петлю и после прохождения круга образуют когерентную суперпозицию. Возвращающийся свет снова попадает на светодиод (LED), который используется для определения его интенсивности. Хотя принцип работы оптоволоконного гироскопа может показаться простым, наиболее серьезная проблема заключается в устранении факторов, влияющих на длину оптического пути двух световых лучей. Это одна из наиболее важных проблем, возникающих при разработке волоконно-оптических гироскопов.

1: суперлюминесцентный диод 2: диод фотоприемника

3. соединитель источника света 4.оптоволоконный кольцевой соединитель 5. оптоволоконное кольцо

Преимущества волоконно-оптических гироскопов

ВОГ обладают рядом преимуществ, которые делают их незаменимыми в инерциальных навигационных системах. Они известны своей исключительной точностью, надежностью и долговечностью. В отличие от механических гироскопов, FOG не имеют движущихся частей, что снижает риск износа. Кроме того, они устойчивы к ударам и вибрации, что делает их идеальными для требовательных сред, таких как аэрокосмическая и оборонная промышленность.

Интеграция волоконно-оптических гироскопов в инерциальную навигацию

Инерциальные навигационные системы все чаще включают в себя ВОГ из-за их высокой точности и надежности. Эти гироскопы обеспечивают важные измерения угловой скорости, необходимые для точного определения ориентации и положения. Интегрируя FOG в существующие инерциальные навигационные системы, операторы могут получить выгоду от повышения точности навигации, особенно в ситуациях, когда необходима предельная точность.

Применение волоконно-оптических гироскопов в инерциальной навигации

Включение ВОГ расширило возможности применения инерциальных навигационных систем в различных областях. В аэрокосмической и авиационной промышленности системы, оснащенные FOG, предлагают точные навигационные решения для самолетов, дронов и космических кораблей. Они также широко используются в морской навигации, геологических исследованиях и современной робототехнике, что позволяет этим системам работать с повышенной производительностью и надежностью.

Различные конструктивные варианты волоконно-оптических гироскопов

Волоконно-оптические гироскопы бывают различных конструктивных конфигураций, преобладающей из которых в настоящее время входит в сферу техники являетсяВолоконно-оптический гироскоп с замкнутым контуром, поддерживающим поляризацию. В основе этого гироскопа лежитоптоволоконный контур, сохраняющий поляризацию, состоящий из волокон, сохраняющих поляризацию, и точно спроектированного каркаса. Конструкция этой петли включает в себя метод четырехкратной симметричной намотки, дополненный уникальным герметизирующим гелем для формирования катушки петли из твердотельного волокна.

Ключевые особенностиОптоволокно G с сохранением поляризациилетняя катушка

▶Уникальный дизайн рамок:Петли гироскопа имеют особую конструкцию каркаса, которая позволяет легко разместить различные типы волокон, поддерживающих поляризацию.

▶Техника четырехкратной симметричной намотки:Четырехкратная симметричная намотка сводит к минимуму эффект Шупе, обеспечивая точные и надежные измерения.

▶Усовершенствованный материал уплотнительного геля:Использование современных герметизирующих гелевых материалов в сочетании с уникальной технологией отверждения повышает устойчивость к вибрациям, что делает эти петли гироскопов идеальными для применения в сложных условиях.

▶Стабильность когерентности при высоких температурах:Контуры гироскопа демонстрируют высокую температурную стабильность когерентности, обеспечивая точность даже в изменяющихся тепловых условиях.

▶Упрощенная облегченная структура:Петли гироскопа имеют простую, но легкую конструкцию, гарантирующую высокую точность обработки.

▶Постоянный процесс намотки:Процесс намотки остается стабильным, адаптируясь к требованиям различных прецизионных волоконно-оптических гироскопов.

Ссылка

Гроувс, П.Д. (2008). Введение в инерциальную навигацию.Журнал навигации, 61(1), 13-28.

Эль-Шейми Н., Хоу Х. и Ню Х. (2019). Технологии инерциальных датчиков для навигационных приложений: современное состояние.Спутниковая навигация, 1(1), 1-15.

Вудман, О.Дж. (2007). Введение в инерциальную навигацию.Кембриджский университет, компьютерная лаборатория, UCAM-CL-TR-696.

Чатила Р. и Ломонд Дж. П. (1985). Привязка позиций и согласованное моделирование мира для мобильных роботов.В материалах Международной конференции IEEE 1985 года по робототехнике и автоматизации.(т. 2, стр. 138-145). IEEE.