Früher war es ein ziemlich kompliziertes Unterfangen, den eigenen Standort auf der Erde herauszufinden. Man musste in die Sterne schauen, eine schicke, kardanisch aufgehängte Ausrüstung verwenden, um seine Bewegungen zu verfolgen, oder einfach nur in der Lage sein, seine Schritte sehr, sehr gut zu verfolgen. Irgendwann würde GPS auf den Markt kommen und all das für viele Anwendungsfälle etwas überflüssig machen. Das war alles schön und gut, bis es überall zu Staus gab, um die Militärs zu frustrieren, die hochpräzise, ​​satellitengesteuerte Waffen einsetzten.

Heutzutage besteht ein großer Wunsch nach präziseren Navigationsmethoden, die keine externe Kommunikation erfordern, die leicht gestört werden kann. High-Tech-Gyroskope sind seit langem ein wichtiger Teil dieser Bemühungen und ermöglichen den Bau von Trägheitsnavigationssystemen mit größerer Genauigkeit als je zuvor.

Warum Inertialmessung?

Tatsache ist, dass GPS und andere Satellitennavigationssysteme auf umkämpften Schlachtfeldern und zeitweise sogar in friedlichen Gebieten nicht mehr zuverlässig sind. Die Technologie, um diese Navigationssysteme zu blockieren oder zu fälschen, ist jetzt sowohl für staatliche Akteure als auch für den gut ausgestatteten Einzelnen leicht zugänglich.

Daher besteht ein großer Wunsch nach störungssicheren Navigationssystemen. Ein Trägheitsnavigationssystem (INS) ist genau das. Das Konzept ist einfach. Von einer bekannten Startposition aus misst ein INS die Beschleunigung und Rotation eines bestimmten Fahrzeugs oder Projektils. Aus diesen Messungen ist es möglich, über die Koppelnavigation Position, Orientierung und Geschwindigkeit im Zeitverlauf zu berechnen. In einem vereinfachten Beispiel: Wenn Sie an Ihrem Haus beginnen, schnell auf 2 Meter pro Sekunde beschleunigen und eine bestimmte Zeit lang geradeaus laufen, können Sie Ihre Position relativ einfach bestimmen. Ein INS macht genau das, aber in drei Dimensionen und wirklich sehr, sehr genau.

Das Problem beim Koppelnavigation-Ansatz besteht darin, dass Fehler kumulativ sind. Wenn Ihre Geschwindigkeitsmessung beispielsweise leicht falsch ist, wird Ihre geschätzte aktuelle Position mit der Zeit schnell ungenauer.

Somit führen bessere Messungen zu einer weitaus genaueren Ortung, die länger verwendbar ist, ohne dass eine Überprüfung mit einer externen Referenz wie GPS erforderlich ist. Daher das Interesse an Hochleistungsgyroskopen, die genauere Messungen mit weniger Drift im Laufe der Zeit durchführen können. Die neuesten Technologien verzichten auf rotierende Rotoren und komplizierte mechanische Vorrichtungen der Vergangenheit und setzen auf völlig wildere Ansätze.

Ringlasergyroskope

Ringlaserkreisel oder RLGs verwenden einen geschlossenen Lichtring, um die Winkelbeschleunigung zu messen. Das Herzstück des RLG ist ein dreieckiger oder quadratischer optischer Pfad, der aus Spiegeln besteht, die es dem Licht ermöglichen, sich in einer geschlossenen Schleife zu bewegen. Innerhalb dieser Schleife bewegen sich zwei Lichtstrahlen, typischerweise von einer einzelnen Laserquelle, in entgegengesetzte Richtungen. Unter stationären Bedingungen benötigen beide Lichtstrahlen die gleiche Zeit, um eine Schleife zu durchlaufen, sodass zwischen ihnen keine Phasendifferenz beobachtbar ist.

Allerdings ändern sich die Dinge, wenn das Gyroskop eine Drehung erfährt, dank der Sagnac-Effekt. Wenn das RLG einer Drehung ausgesetzt wird, wird die Weglänge für den Lichtstrahl, der sich in Drehrichtung ausbreitet, effektiv länger. Dadurch wird wiederum der Weg für den gegenüberliegenden Strahl kürzer. Dieser Unterschied in den Weglängen führt dazu, dass die beiden Strahlen eine Verschiebung ihrer relativen Phase erfahren. Wenn die Strahlen ihren Weg vervollständigen und wieder zusammenlaufen, interferieren sie miteinander. Die Phasendifferenz manifestiert sich als Interferenzmuster. Durch Messung dieses Musters kann man die Winkelgeschwindigkeit berechnen, die der Kreisel erfährt.

Es ist erwähnenswert, dass RLGs bemerkenswert empfindlich sind und in der Lage sind, kleinste Änderungen der Winkelgeschwindigkeit zu erkennen. Diese Empfindlichkeit entsteht durch die Tatsache, dass sich Licht mit unglaublich hoher Geschwindigkeit ausbreitet und selbst kleine Rotationsbewegungen erkennbare Phasenverschiebungen in den Lichtstrahlen hervorrufen können. Darüber hinaus verleiht die Festkörperbeschaffenheit von RLGs ohne bewegliche mechanische Komponenten ihnen eine Robustheit, die besonders bei Anwendungen wertvoll ist, bei denen Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind. Von der Luftfahrt bis zur Satellitennavigation haben RLGs ihre Nische gefunden und gewährleisten präzise Rotationsmessungen selbst in den anspruchsvollsten Umgebungen.

Allerdings können RLGs etwas wählerisch sein, insbesondere wenn es darum geht, niedrige Rotationsgeschwindigkeiten zu erkennen. Auf diesen Ebenen können sich die beiden Laserstrahlen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, gegenseitig „verriegeln“ und so etwaige Phasenunterschiede verbergen. Um dies zu verhindern, unterliegen RLGs häufig einem „erzwungenen Dithering“, bei dem der Laserhohlraum tatsächlich schnell hin und her gedreht wird, normalerweise um etwa 400 Hz. Dadurch bleibt die Winkelgeschwindigkeit des Systems außerhalb des Lock-in-Bereichs. Um zu verhindern, dass es an den Extrempunkten der Bewegung zu einem Lock-in kommt, wenn der Kreisel seine Richtung ändert, wird häufig weißes Rauschen in die 400-Hz-Rotationen eingefügt.

RLG-basierte Navigationssysteme erfreuen sich sowohl in der kommerziellen Luftfahrt als auch im militärischen Kontext großer Beliebtheit. Die typische Genauigkeit kann in der Größenordnung von liegen eine Seemeile Fehler pro Betriebsstunde. Größere Systeme oder Systeme, bei denen zusätzliche Kreisel zum Vergleichen von Messungen gestapelt werden, können die Leistung weiter verbessern.

Faserlaser-Gyroskope

Ein faseroptischer Kreisel (FOG) nutzt den Sagnac-Effekt, genau wie ein Ringlaserkreisel. Anstelle eines kleinen starren Hohlraums wie bei einem Ringlaserkreisel wird jedoch ein langes, geschlungenes Glasfaserkabel als Hohlraum verwendet. Zwei Strahlen desselben Lasers werden in entgegengesetzter Richtung in die Faser eingekoppelt. Ihr Interferenzmuster, das durch die Drehung der Kreiselbaugruppe beeinflusst wird, wird dann auf die gleiche Weise wie beim Ringlaserkreisel gemessen.

Der Vorteil des FOG besteht darin, dass die Wirkung des Sagnac-Effekts effektiv um ein Vielfaches der Anzahl der Glasfaserkabelschleifen erhöht wird. Dies liegt daran, dass der Weg des Lasers viel länger ist, da er durch ein langes, aufgerolltes Glasfaserkabel verläuft. Die längere Weglänge bedeutet, dass auch der Wegunterschied zwischen den beiden interferierenden Strahlen größer ist, was dem Gerät eine höhere potenzielle Auflösung verleiht.

Dank der Möglichkeit, einen sehr langen Laserhohlraum auf kompaktem Raum unterzubringen, können praktische faseroptische Gyroskope mit hervorragender Leistung auf kompaktem Raum gebaut werden. Große, auf optimale Leistung abgestimmte Marinebeispiele können Genauigkeit bieten in der Größenordnung von 1 Seemeile über 360 Betriebsstunden. 

Halbkugelförmige Resonatorgyroskope

Halbkugelförmige Resonatorgyroskopeoder HRGs nutzen mechanische Resonanz als Grundlage ihres Betriebs. Sie bieten Vorteile gegenüber herkömmlichen mechanischen Kreiseln sowie Lasertypen, da sie drastisch reduziert wurden Größe, Gewicht und Leistung (SWAP) Anforderungen. Sie ermöglichen die Erstellung hochpräziser intertialer Navigationssysteme in kompakten, tragbaren Paketen.

Das Herzstück des HRG ist eine dünne, halbkugelförmige Hülle, die typischerweise aus Quarz gefertigt ist. Diese Schale ist an ihrer Basis verankert und kann bei entsprechender Anregung in einem bestimmten Modus schwingen. So wie ein Weinglas beim Schwenken einen charakteristischen Ton erzeugt, schwingt die halbkugelförmige Hülle des HRG bei Ansteuerung durch externe Aktuatoren mit einer bestimmten Frequenz.

Die Hülle muss mithilfe von Techniken wie Ionenstrahlerosion oder Laserablation sorgfältig auf Spitzenleistung abgestimmt werden, ähnlich wie Quarzradiokristalle auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt werden. Anschließend wird der Resonator mit einem hauchdünnen Metallfilm überzogen. Um die Resonanz auszulösen, werden elektrostatische Aktoren strategisch in der Nähe des Resonators platziert. Einige Designs verwenden eine halbkugelförmige Elektrode innerhalb des halbkugelförmigen Resonators, kompaktere und kostengünstigere Designs können jedoch mit einfacheren flachen Elektroden erreicht werden, die sich auf der Äquatorialebene des Resonators befinden. Sobald diese Aktoren aktiviert sind, versetzen sie die Halbkugelschale in ihren Resonanzmodus.

Wenn nun das HRG eine Winkelbewegung erfährt, kommt die Corioliskraft ins Spiel. Während sich das HRG selbst dreht, dreht sich auch das Schwingungsmuster, jedoch nicht in so starkem Maße. Das verschobene Schwingungsmuster kann von den elektrostatischen Sensoren des Kreisels erfasst und wieder in elektrische Signale umgewandelt werden. Durch die Analyse dieser Signale kann die Winkelgeschwindigkeit des HRG genau bestimmt werden.

HRGs wurden in einer Vielzahl von Zusammenhängen eingesetzt, von Raumfahrzeugen über Verkehrsflugzeuge bis hin zu Lenkwaffen. Aufgrund ihrer kompakten Größe eignen sie sich gut für kompaktere mobile Plattformen. Spitzenleistungswerte sind bis zu einem gewissen Grad geheime Geheimnisse, aber sie sind um Größenordnungen besser als beliebte MEMS-Gyroskope, die üblicherweise in Verbraucherhardware verwendet werden.

Zusammenfassung

Wenn Sie ein Navigationssystem entwickeln möchten, das in Gebieten eingesetzt werden kann, in denen keine Satellitenkommunikation möglich ist, werden Sie wahrscheinlich diese fortschrittlichen Gyroskoptechnologien erkunden. Unabhängig davon, ob Sie mit einem überlasteten Funkspektrum zu kämpfen haben oder ob Sie unter der Erde oder unter Wasser operieren, sind diese fortschrittlichen Gyroskope der Schlüssel dazu, die Drift im Laufe der Zeit so gering wie möglich zu halten. Sie sind nicht billig und sicherlich nicht einfach zu bauen, aber diese Geräte sind zu einem festen Bestandteil der Welt der High-End-Trägheitsnavigationsgeräte geworden.

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• Quelle: https://hackaday.com/2023/11/01/fancy-gyroscopes-are-key-to-radio-free-navigation/