Autrefois, découvrir votre position sur Terre était une entreprise assez complexe. Vous deviez regarder les étoiles, utiliser un équipement sophistiqué à cardan pour suivre vos mouvements, ou simplement être capable de très bien suivre vos pas. Finalement, le GPS arriverait et rendrait tout cela un peu redondant pour de nombreux cas d'utilisation. Tout cela était bien beau, jusqu'à ce qu'il commence à être bloqué partout pour frustrer les militaires en utilisant des armes guidées par satellite ultra-précises.

Aujourd'hui, il existe un grand désir de disposer de méthodes de navigation plus précises qui ne nécessitent pas de communications extérieures qui peuvent facilement être brouillées. Les gyroscopes de haute technologie jouent depuis longtemps un rôle important dans cet effort, permettant la construction de systèmes de navigation inertielle avec une plus grande précision que jamais.

Pourquoi la mesure inertielle ?

Le fait est que le GPS et les autres systèmes de navigation par satellite ne sont plus fiables sur les champs de bataille contestés, et même parfois dans les zones pacifiques. La technologie permettant de brouiller ou d’usurper ces systèmes de navigation est désormais facilement accessible, tant aux acteurs étatiques qu’aux individus disposant de ressources suffisantes.

Il existe donc un grand désir de disposer de systèmes de navigation insensibles au brouillage. Un système de navigation inertielle (INS) n’est que cela. Le concept est simple. À partir d'une position de départ connue, un INS mesure l'accélération et la rotation d'un véhicule ou d'un projectile donné. À partir de ces mesures, il est possible de calculer la position, l'orientation et la vitesse au fil du temps via l'estime. Dans un exemple simpliste, si vous partez de chez vous, accélérez rapidement jusqu'à 2 mètres par seconde et courez en ligne droite pendant un certain temps, vous pourriez déterminer votre position relativement facilement. Un INS fait exactement cela, mais en trois dimensions, et avec une très grande précision.

Le problème avec l’approche à l’estime est que les erreurs sont cumulatives. Si vous vous trompez légèrement dans la mesure de votre vitesse, par exemple, votre position actuelle estimée deviendra rapidement de plus en plus imprécise au fil du temps.

Ainsi, de meilleures mesures créent une localisation beaucoup plus précise, utilisable plus longtemps sans avoir besoin de s'enregistrer avec une référence externe telle que le GPS. D’où l’intérêt des gyroscopes performants, capables de mesurer avec plus de précision avec moins de dérive dans le temps. Les dernières technologies évitent les rotors tournants et les dispositifs mécaniques sophistiqués du passé pour des approches tout à fait plus folles.

Gyroscopes laser en anneau

Les gyroscopes laser en anneau, ou RLG, utilisent un anneau de lumière fermé pour mesurer l'accélération angulaire. Au cœur du RLG se trouve un chemin optique de forme triangulaire ou carrée, formé de miroirs qui permettent à la lumière de voyager en boucle fermée. Dans cette boucle, deux faisceaux de lumière, provenant généralement d’une seule source laser, se propagent dans des directions opposées. Dans des conditions stationnaires, les deux faisceaux de lumière mettent le même temps pour boucler une boucle, ce qui n’entraîne aucune différence de phase observable entre eux.

Cependant, les choses changent lorsque le gyroscope subit une rotation, grâce au Effet Sagnac. Lorsque le RLG est soumis à une rotation, la longueur du trajet du faisceau lumineux se déplaçant dans le sens de rotation devient effectivement plus longue. À son tour, le trajet du faisceau opposé devient plus court. Cette différence de longueur de trajet entraîne un décalage de la phase relative des deux faisceaux. Au fur et à mesure que les faisceaux terminent leur trajet et convergent, ils interfèrent les uns avec les autres. La différence de phase se manifeste sous la forme d'un motif d'interférence. En mesurant ce modèle, on peut calculer la vitesse angulaire subie par le gyroscope.

Il convient de noter que les RLG sont remarquablement sensibles, capables de détecter d’infimes changements de vitesse angulaire. Cette sensibilité provient du fait que la lumière se déplace à une vitesse incroyablement élevée et que même de petits mouvements de rotation peuvent induire des déphasages détectables dans les faisceaux lumineux. De plus, la nature solide des RLG, dépourvus de composants mécaniques mobiles, leur confère une robustesse particulièrement précieuse dans les applications où la durabilité et la fiabilité sont primordiales. De l'aviation à la navigation par satellite, les RLG ont trouvé leur place, garantissant des mesures de rotation précises même dans les environnements les plus exigeants.

Les RLG peuvent cependant être un peu difficiles, en particulier lorsqu'il s'agit de détecter de faibles taux de rotation. À ces niveaux, les deux faisceaux laser se déplaçant dans des directions opposées peuvent se « verrouiller » l’un sur l’autre, masquant toute différence de phase. Pour éviter que cela ne se produise, les RLG sont souvent soumis à un « dithering forcé », où la cavité laser tourne rapidement d'avant en arrière, généralement autour de 400 Hz. Cela maintient la vitesse angulaire du système en dehors de la plage de verrouillage. Pour éviter un blocage aux extrémités du mouvement, là où le gyroscope change de direction, un bruit blanc est souvent introduit dans les rotations de 400 Hz.

Les systèmes de navigation basés sur RLG sont devenus populaires dans l'aviation commerciale ainsi que dans des contextes militaires. La précision typique peut être de l’ordre de un mille marin d'erreur par heure de fonctionnement. Des systèmes plus grands ou des systèmes qui empilent des gyroscopes supplémentaires pour comparer les mesures peuvent améliorer encore les performances.

Gyroscopes laser à fibre

Un gyroscope à fibre optique, ou FOG, fonctionne grâce à l'effet Sagnac, tout comme un gyroscope laser en anneau. Cependant, au lieu d'utiliser une petite cavité rigide comme dans un gyroscope laser en anneau, une longue longueur de câble à fibre optique en boucle est utilisée comme cavité. Deux faisceaux issus du même laser sont injectés dans la fibre dans des directions opposées. Leur motif d'interférence, influencé par la rotation de l'ensemble gyroscope, est ensuite mesuré de la même manière que le gyroscope laser en anneau.

L'avantage du FOG est que l'impact de l'effet Sagnac est effectivement augmenté d'un multiple du nombre de boucles du câble à fibre optique. En effet, le trajet du laser est beaucoup plus long, car il passe par un long câble à fibre optique enroulé. La longueur du trajet plus longue signifie que la différence de trajet est également plus grande entre les deux faisceaux interférents, ce qui donne au dispositif une plus grande résolution potentielle.

Grâce à la possibilité de regrouper une très longue cavité laser dans un espace compact, des gyroscopes à fibre optique pratiques peuvent être construits avec d'excellentes performances dans un espace compact. De grands exemples marins réglés pour des performances optimales peuvent offrir une précision de l'ordre de 1 mille marin sur 360 heures de fonctionnement. 

Gyroscopes à résonateur hémisphérique

Gyroscopes à résonateur hémisphérique, ou HRG, utilisent la résonance mécanique comme base de leur fonctionnement. Ils offrent des avantages par rapport aux gyroscopes mécaniques traditionnels, ainsi qu'aux types laser, dans la mesure où ils réduisent considérablement Taille, poids et puissance (SWAP) exigences. Ils permettent de créer des systèmes de navigation intertiale de haute précision dans des boîtiers compacts et portables.

Au cœur du HRG se trouve une fine coque hémisphérique, généralement fabriquée à partir de quartz. Cette coque est ancrée à sa base et peut résonner ou vibrer dans un mode spécifique lorsqu'elle est excitée de manière appropriée. Tout comme un verre à vin produit un son distinctif lorsqu'il est actionné, la coque hémisphérique du HRG résonne à une fréquence particulière lorsqu'elle est actionnée par des actionneurs externes.

La coque doit être délicatement réglée pour des performances optimales via des techniques telles que l'érosion par faisceau d'ions ou l'ablation laser, de la même manière que les radiocristaux de quartz sont réglés sur une fréquence spécifique. Le résonateur est ensuite recouvert d'un film métallique ultra fin. Pour initier la résonance, des actionneurs électrostatiques sont stratégiquement placés à proximité du résonateur. Certaines conceptions utilisent une électrode hémisphérique à l'intérieur du résonateur hémisphérique, mais des conceptions plus compactes et moins chères peuvent être réalisées avec des électrodes plates plus simples situées sur le plan équatorial du résonateur. Une fois activés, ces actionneurs font vibrer la coque hémisphérique dans son mode résonant.

Désormais, lorsque le HRG subit un mouvement angulaire, la force de Coriolis entre en jeu. À mesure que le HRG lui-même tourne, le modèle de vibration tourne également, mais pas autant. Le modèle de vibration décalé peut être capté par les capteurs électrostatiques du gyroscope, qui les reconvertissent en signaux électriques. En analysant ces signaux, la vitesse angulaire du HRG peut être déterminée avec précision.

Les HRG ont été utilisés dans une grande variété de contextes, des engins spatiaux aux avions commerciaux en passant par les armes guidées. Leur taille compacte les rend bien adaptés aux plates-formes mobiles plus compactes. Les performances maximales sont, dans une certaine mesure, classées secrètes, mais elles sont bien supérieures à celles des gyroscopes MEMS populaires couramment utilisés dans le matériel grand public.

Conclusion

Si vous souhaitez concevoir un système de navigation capable de fonctionner dans des zones où les communications par satellite sont refusées, vous vous retrouverez probablement à explorer ces technologies avancées de gyroscope. Que vous soyez confronté à un spectre radio encombré ou que vous opériez sous terre ou sous l'eau, ces gyroscopes avancés sont essentiels pour atteindre un minimum de dérive au fil du temps. Ils ne sont pas bon marché et ne sont certainement pas faciles à construire, mais ces appareils sont devenus des incontournables dans le monde des dispositifs de navigation inertielle haut de gamme.

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