O que é navegação inercial?
Fundamentos da Navegação Inercial
Os princípios fundamentais da navegação inercial são semelhantes aos de outros métodos de navegação. Baseia-se na aquisição de informações importantes, incluindo a posição inicial, orientação inicial, direção e orientação do movimento em cada momento, e na integração progressiva desses dados (análoga às operações de integração matemática) para determinar com precisão os parâmetros de navegação, como orientação e posição.
O papel dos sensores na navegação inercial
Para obter a orientação atual (atitude) e informações de posição de um objeto em movimento, os sistemas de navegação inercial empregam um conjunto de sensores críticos, consistindo principalmente de acelerômetros e giroscópios. Esses sensores medem a velocidade angular e a aceleração do transportador em um referencial inercial. Os dados são então integrados e processados ao longo do tempo para obter informações de velocidade e posição relativa. Posteriormente, esta informação é transformada no sistema de coordenadas de navegação, em conjunto com os dados de posição inicial, culminando na determinação da localização atual do transportador.
Princípios de Operação de Sistemas de Navegação Inercial
Os sistemas de navegação inercial operam como sistemas de navegação internos de circuito fechado e independentes. Eles não dependem de atualizações de dados externos em tempo real para corrigir erros durante o movimento do transportador. Como tal, um único sistema de navegação inercial é adequado para tarefas de navegação de curta duração. Para operações de longa duração, deve ser combinado com outros métodos de navegação, como sistemas de navegação por satélite, para corrigir periodicamente os erros internos acumulados.
A ocultabilidade da navegação inercial
Nas modernas tecnologias de navegação, incluindo navegação astronômica, navegação por satélite e radionavegação, a navegação inercial se destaca como autônoma. Não emite sinais para o ambiente externo nem depende de objetos celestes ou sinais externos. Consequentemente, os sistemas de navegação inercial oferecem o mais alto nível de ocultação, tornando-os ideais para aplicações que exigem a máxima confidencialidade.
Definição Oficial de Navegação Inercial
O Sistema de Navegação Inercial (INS) é um sistema de estimativa de parâmetros de navegação que emprega giroscópios e acelerômetros como sensores. O sistema, baseado na saída dos giroscópios, estabelece um sistema de coordenadas de navegação enquanto utiliza a saída dos acelerômetros para calcular a velocidade e a posição do transportador no sistema de coordenadas de navegação.
Aplicações de Navegação Inercial
A tecnologia inercial encontrou amplas aplicações em diversos domínios, incluindo aeroespacial, aviação, marítimo, exploração de petróleo, geodésia, levantamentos oceanográficos, perfuração geológica, robótica e sistemas ferroviários. Com o advento de sensores inerciais avançados, a tecnologia inercial estendeu sua utilidade à indústria automotiva e aos dispositivos eletrônicos médicos, entre outros campos. Este escopo crescente de aplicações ressalta o papel cada vez mais importante da navegação inercial no fornecimento de navegação de alta precisão e capacidades de posicionamento para uma infinidade de aplicações.
O componente central da orientação inercial:Giroscópio de fibra óptica
Introdução aos giroscópios de fibra óptica
Os sistemas de navegação inercial dependem fortemente da exatidão e precisão de seus componentes principais. Um desses componentes que melhorou significativamente as capacidades desses sistemas é o Giroscópio de Fibra Óptica (FOG). FOG é um sensor crítico que desempenha um papel fundamental na medição da velocidade angular do transportador com notável precisão.
Operação do giroscópio de fibra óptica
Os FOGs operam com base no princípio do efeito Sagnac, que envolve a divisão de um feixe de laser em dois caminhos separados, permitindo que ele viaje em direções opostas ao longo de um loop de fibra óptica enrolado. Quando o transportador, embutido no FOG, gira, a diferença no tempo de percurso entre os dois feixes é proporcional à velocidade angular de rotação do transportador. Este atraso de tempo, conhecido como mudança de fase de Sagnac, é então medido com precisão, permitindo ao FOG fornecer dados precisos sobre a rotação do transportador.
O princípio de um giroscópio de fibra óptica envolve a emissão de um feixe de luz de um fotodetector. Esse feixe de luz passa por um acoplador, entrando por uma extremidade e saindo pela outra. Em seguida, ele viaja através de um loop óptico. Dois feixes de luz, vindos de direções diferentes, entram no circuito e completam uma superposição coerente após circularem. A luz que retorna entra novamente em um diodo emissor de luz (LED), que é usado para detectar sua intensidade. Embora o princípio de um giroscópio de fibra óptica possa parecer simples, o desafio mais significativo reside na eliminação de fatores que afetam o comprimento do caminho óptico dos dois feixes de luz. Este é um dos problemas mais críticos enfrentados no desenvolvimento de giroscópios de fibra óptica.
1: diodo superluminescente 2: diodo fotodetector
3. acoplador de fonte de luz 4.acoplador de anel de fibra 5. anel de fibra óptica
Vantagens dos giroscópios de fibra óptica
Os FOGs oferecem diversas vantagens que os tornam inestimáveis em sistemas de navegação inercial. Eles são conhecidos por sua excepcional precisão, confiabilidade e durabilidade. Ao contrário dos giroscópios mecânicos, os FOGs não possuem peças móveis, reduzindo o risco de desgaste. Além disso, são resistentes a choques e vibrações, tornando-os ideais para ambientes exigentes, como aplicações aeroespaciais e de defesa.
Integração de giroscópios de fibra óptica na navegação inercial
Os sistemas de navegação inercial incorporam cada vez mais FOGs devido à sua alta precisão e confiabilidade. Esses giroscópios fornecem medições cruciais de velocidade angular necessárias para a determinação precisa de orientação e posição. Ao integrar FOGs nos sistemas de navegação inercial existentes, os operadores podem beneficiar de uma maior precisão de navegação, especialmente em situações onde é necessária extrema precisão.
Aplicações de giroscópios de fibra óptica em navegação inercial
A inclusão de FOGs expandiu as aplicações de sistemas de navegação inercial em vários domínios. Na indústria aeroespacial e na aviação, os sistemas equipados com FOG oferecem soluções de navegação precisas para aeronaves, drones e naves espaciais. Eles também são amplamente utilizados na navegação marítima, em pesquisas geológicas e em robótica avançada, permitindo que esses sistemas operem com desempenho e confiabilidade aprimorados.
Diferentes variantes estruturais de giroscópios de fibra óptica
Os giroscópios de fibra óptica vêm em várias configurações estruturais, sendo que a predominante atualmente no campo da engenharia é ogiroscópio de fibra óptica com manutenção de polarização em circuito fechado. No centro deste giroscópio está oloop de fibra de manutenção de polarização, compreendendo fibras que mantêm a polarização e uma estrutura projetada com precisão. A construção deste laço envolve um método de enrolamento simétrico quádruplo, complementado por um gel de vedação exclusivo para formar uma bobina de laço de fibra de estado sólido.
Principais recursos deFibra Óptica G de Manutenção de Polarizaçãobobina
▶Design de estrutura exclusivo:Os loops do giroscópio apresentam um design de estrutura distinto que acomoda facilmente vários tipos de fibras que mantêm a polarização.
▶Técnica de enrolamento simétrico quádruplo:A técnica de enrolamento simétrico quádruplo minimiza o efeito Shupe, garantindo medições precisas e confiáveis.
▶Material de gel de vedação avançado:O emprego de avançados materiais de gel de vedação, combinados com uma técnica de cura única, aumenta a resistência às vibrações, tornando estes giroscópios ideais para aplicações em ambientes exigentes.
▶Estabilidade de coerência em alta temperatura:Os loops do giroscópio exibem estabilidade de coerência de alta temperatura, garantindo precisão mesmo em condições térmicas variadas.
▶Estrutura leve simplificada:Os loops do giroscópio são projetados com uma estrutura simples, porém leve, garantindo alta precisão de processamento.
▶Processo de enrolamento consistente:O processo de enrolamento permanece estável, adaptando-se aos requisitos de vários giroscópios de fibra óptica de precisão.
Referência
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Woodman, JO (2007). Uma introdução à navegação inercial.Universidade de Cambridge, Laboratório de Computação, UCAM-CL-TR-696.
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