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激光在慣性導(dǎo)航中的應(yīng)用


什么是慣性導(dǎo)航?

 

慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)原理

慣性導(dǎo)航的基本原理與其他導(dǎo)航方法相似。它依賴于獲取關(guān)鍵信息,包括初始位置、初始方向、每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向和方位,并逐步整合這些數(shù)據(jù)(類似于數(shù)學(xué)上的積分操作),以精確確定導(dǎo)航參數(shù),如方位和位置。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)通常包括加速度計(jì)和陀螺儀,這些設(shè)備能夠測(cè)量和記錄物體的加速度和旋轉(zhuǎn)。加速度計(jì)測(cè)量物體在空間中的加速度,而陀螺儀則用于確定物體的旋轉(zhuǎn)角度和方向。通過(guò)從一個(gè)已知的初始位置和方向開(kāi)始,INS能夠連續(xù)跟蹤物體的位置和方向的變化。這種方式的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是它不依賴于外部信號(hào),如衛(wèi)星或無(wú)線電信號(hào),因此在無(wú)法接收這些信號(hào)的環(huán)境中(例如地下或深海)仍能有效工作。

慣性導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)包括獨(dú)立性和連續(xù)性。它能夠在任何天氣條件下、在全球任何地方運(yùn)作,不受外部環(huán)境影響。然而,它也存在一定的局限性,比如隨著時(shí)間的推移,由于數(shù)據(jù)積累的誤差,其準(zhǔn)確性可能會(huì)逐漸下降。因此,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常與其他導(dǎo)航系統(tǒng)(如GPS)結(jié)合使用,以提高總體的導(dǎo)航精度。

 

傳感器在慣性導(dǎo)航中的作用

為了獲取運(yùn)動(dòng)物體的當(dāng)前方向(姿態(tài))和位置信息,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)使用一系列關(guān)鍵傳感器,主要包括加速度計(jì)和陀螺儀。這些傳感器在慣性參考框架中測(cè)量載體的角速度和加速度。隨后,這些數(shù)據(jù)隨時(shí)間積累并進(jìn)行處理,以推導(dǎo)出速度和相對(duì)位置信息。然后,將這些信息轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)中,并結(jié)合初始位置數(shù)據(jù),最終確定載體的當(dāng)前位置。

這一過(guò)程涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和算法,但其核心在于不斷更新和校正載體的位置和姿態(tài)信息,確保導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作不依賴于外部信號(hào),如衛(wèi)星信號(hào),因此它在信號(hào)受阻或不可用的環(huán)境下仍能有效工作,這使其在許多關(guān)鍵應(yīng)用中,如航空航天、軍事和地下導(dǎo)航等領(lǐng)域,變得極為重要。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)立性和可靠性,使其成為現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。


 

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行原理

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為獨(dú)立的、內(nèi)部封閉循環(huán)的導(dǎo)航系統(tǒng)而運(yùn)行。它們不依賴實(shí)時(shí)外部數(shù)據(jù)更新來(lái)在載體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中糾正錯(cuò)誤。因此,單一的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)適合于短時(shí)間的導(dǎo)航任務(wù)。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的操作,它必須與其他導(dǎo)航方法結(jié)合使用,例如基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng),以定期糾正積累的內(nèi)部誤差。

這種設(shè)計(jì)使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在無(wú)法接收外部信號(hào)的環(huán)境中非常有用,如在深?;虻叵颅h(huán)境。然而,為了保持長(zhǎng)期的導(dǎo)航準(zhǔn)確性,結(jié)合使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等可以提供必要的外部信息,幫助校正內(nèi)部誤差,從而確保整體導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。這種融合不同技術(shù)的方法在現(xiàn)代復(fù)雜的導(dǎo)航任務(wù)中至關(guān)重要,確保了各類運(yùn)載工具能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地完成其導(dǎo)航任務(wù)。


 

慣性導(dǎo)航的隱蔽性

在包括天文導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航和無(wú)線電導(dǎo)航在內(nèi)的現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)中,慣性導(dǎo)航因其自主性而顯著。它既不向外部環(huán)境發(fā)射信號(hào),也不依賴于天體或外部信號(hào)。因此,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供了最高級(jí)別的隱蔽性,使其成為需要極高保密性的應(yīng)用的理想選擇。



慣性導(dǎo)航的應(yīng)用方向

慣性技術(shù)在航天、航空、海事、石油勘探、大地測(cè)量、海洋調(diào)查、地質(zhì)鉆探、機(jī)器人技術(shù)和鐵路系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域中找到了廣泛的應(yīng)用。隨著先進(jìn)慣性傳感器的出現(xiàn),慣性技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到汽車工業(yè)和醫(yī)療電子設(shè)備等其他領(lǐng)域。這種應(yīng)用范圍的擴(kuò)展突顯了慣性導(dǎo)航在為多種應(yīng)用提供高精度導(dǎo)航和定位能力方面的日益重要作用。


** An inertial navigation system employs sensors to measure position and orientation. A fiber optic gyroscope, which is a precise rotation sensor, includes a fiber optic ring(Fiber Optic Coil as a core component. Fiber optic gyroscopes are utilized to enhance the accuracy of inertial navigation systems, providing more precise navigational data.

Advantages of inertial navigation

1. Autonomous system that does not depend on external information.

2. Not affected by external electromagnetic influence.

3. It can provide position, velocity, attitude angle and other data.

4. Good continuity of navigation information and low noise.

5. High accuracy of updated data and good stability. 

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心組件:

光纖陀螺儀

 

什么是光纖陀螺儀?

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在很大程度上依賴其核心部件的準(zhǔn)確性和精確度。其中一個(gè)顯著提升這些系統(tǒng)能力的組件是光纖陀螺儀(FOG)。光纖陀螺儀是一種關(guān)鍵傳感器,在測(cè)量載體的角速度方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,并且具有非凡的準(zhǔn)確性。

 

光纖陀螺儀的運(yùn)作原理

光纖陀螺儀(FOG)的工作原理基于薩格納克效應(yīng),這涉及將激光束分成兩個(gè)獨(dú)立的路徑,使其沿著盤繞的光纖環(huán)以相反方向傳播。當(dāng)搭載了FOG的載體旋轉(zhuǎn)時(shí),兩束光的傳播時(shí)間差與載體旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。這種時(shí)間延遲,被稱為薩格納克相位移動(dòng),然后被精確測(cè)量,使FOG能夠提供關(guān)于載體旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

 

光纖陀螺儀的原理涉及從光電探測(cè)器發(fā)射一束光。這束光束通過(guò)耦合器,從一端進(jìn)入并從另一端退出。然后它通過(guò)一個(gè)光學(xué)環(huán)路。兩束來(lái)自不同方向的光進(jìn)入環(huán)路,在繞行一周后完成相干疊加。返回的光重新進(jìn)入一個(gè)發(fā)光二極管(LED),用于檢測(cè)其強(qiáng)度。雖然光纖陀螺儀的原理看似簡(jiǎn)單直接,但最大的挑戰(zhàn)在于消除影響兩束光光路長(zhǎng)度的因素。這是光纖陀螺儀發(fā)展中面臨的最關(guān)鍵的問(wèn)題之一。


 耦合器

1. 超發(fā)光二極管      2. 光電探測(cè)器二極管

3.光源耦合器     4.光纖環(huán)耦合器     5.光纖環(huán)


光纖陀螺儀的優(yōu)勢(shì)是什么?

光纖陀螺儀(FOG)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中具有多種優(yōu)勢(shì),使其變得非常寶貴。它們以卓越的準(zhǔn)確性、可靠性和耐用性而聞名。與機(jī)械式陀螺儀不同,F(xiàn)OG沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件,降低了磨損的風(fēng)險(xiǎn)。此外,它們對(duì)沖擊和振動(dòng)具有抗性,使其非常適合航空航天和安全防御的應(yīng)用等苛刻環(huán)境。

在慣導(dǎo)系統(tǒng)中集成

由于其高精度和可靠性,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)越來(lái)越多地采用光纖陀螺儀(FOG)。這些陀螺儀提供了確定方向和位置所需的關(guān)鍵角速度測(cè)量。通過(guò)將FOG集成到現(xiàn)有的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,操作者可以從提高的導(dǎo)航精度中受益,特別是在需要極端精確性的情況下。

光纖陀螺儀在慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用

引入光纖陀螺儀(FOG)擴(kuò)大了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。在航天和航空領(lǐng)域,裝備了FOG的系統(tǒng)為飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和宇宙飛船提供了精確的導(dǎo)航解決方案。它們還被廣泛應(yīng)用于海洋導(dǎo)航、地質(zhì)調(diào)查和高級(jí)機(jī)器人技術(shù),使這些系統(tǒng)能夠以更高的性能和可靠性運(yùn)行。

光纖陀螺儀中的不同結(jié)構(gòu)

光纖陀螺儀有多種結(jié)構(gòu)配置,目前在工程領(lǐng)域中主要采用的是閉環(huán)保偏光纖陀螺儀。這種陀螺儀的核心是保偏光纖環(huán),由保偏光纖和精確設(shè)計(jì)的框架組成。這個(gè)環(huán)的構(gòu)造涉及到一種四重對(duì)稱繞線方法,輔以獨(dú)特的密封凝膠,形成一個(gè)固態(tài)光纖環(huán)線圈。

光纖環(huán)的主要特點(diǎn)

獨(dú)特框架設(shè)計(jì):陀螺儀環(huán)特有的框架設(shè)計(jì)便于容納各種類型的保偏光纖。

四重對(duì)稱繞線技術(shù):四重對(duì)稱繞線技術(shù)最大限度地減少了舒普效應(yīng),確保了測(cè)量的精確性和可靠性。

先進(jìn)密封凝膠材料:使用先進(jìn)的密封凝膠材料,結(jié)合獨(dú)特的固化技術(shù),增強(qiáng)了對(duì)振動(dòng)的抵抗能力,使這些陀螺儀環(huán)非常適合在苛刻環(huán)境中的應(yīng)用。

高溫相干穩(wěn)定性:陀螺儀環(huán)展示了高溫下的相干穩(wěn)定性,確保在不同熱條件下的精確性。

簡(jiǎn)化輕量框架:陀螺儀環(huán)采用簡(jiǎn)單但輕量的框架設(shè)計(jì),保證了高處理精度。

穩(wěn)定的繞線過(guò)程:繞線過(guò)程保持穩(wěn)定,適應(yīng)各種精密光纖陀螺儀的需求。

Reference

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