O que é navegação inercial?
Fundamentos da Navegação Inercial
Os princípios fundamentais da navegação inercial são semelhantes aos de outros métodos de navegação. Ela se baseia na aquisição de informações-chave, incluindo a posição inicial, a orientação inicial, a direção e a orientação do movimento a cada momento, e na integração progressiva desses dados (de forma 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 essenciais, consistindo principalmente de acelerômetros e giroscópios. Esses sensores medem a velocidade angular e a aceleração do veículo em um referencial inercial. Os dados são então integrados e processados ao longo do tempo para derivar informações de velocidade e posição relativa. Posteriormente, essas informações são transformadas no sistema de coordenadas de navegação, em conjunto com os dados de posição inicial, culminando na determinação da localização atual do veículo.
Princípios de operação de sistemas de navegação inercial
Os sistemas de navegação inercial operam como sistemas de navegação internos, independentes e em circuito fechado. Eles não dependem de atualizações de dados externos em tempo real para corrigir erros durante o movimento do porta-aviões. Assim, um único sistema de navegação inercial é adequado para tarefas de navegação de curta duração. Para operações de longa duração, ele 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 tecnologias modernas de navegação, incluindo navegação astronômica, navegação por satélite e radionavegação, a navegação inercial se destaca por sua autonomia. Ela 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 ocultabilidade, 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 utiliza giroscópios e acelerômetros como sensores. O sistema, com base 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 veículo de transporte no sistema de coordenadas de navegação.
Aplicações da 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 ampliou sua utilidade para a indústria automotiva e dispositivos eletrônicos médicos, entre outros campos. Esse escopo crescente de aplicações ressalta o papel cada vez mais fundamental da navegação inercial no fornecimento de recursos de navegação e posicionamento de alta precisão 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 aprimorou significativamente as capacidades desses sistemas é o Giroscópio de Fibra Óptica (FOG). O FOG é um sensor crítico que desempenha um papel fundamental na medição da velocidade angular do porta-aviões 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 se desloque em direções opostas ao longo de um circuito de fibra óptica enrolado. Quando a portadora, incorporada ao FOG, gira, a diferença no tempo de deslocamento entre os dois feixes é proporcional à velocidade angular de rotação da portadora. Esse atraso de tempo, conhecido como deslocamento de fase de Sagnac, é então medido com precisão, permitindo que o FOG forneça dados precisos sobre a rotação da portadora.
O princípio de um giroscópio de fibra óptica envolve a emissão de um feixe de luz a partir de um fotodetector. Esse feixe de luz passa por um acoplador, entrando por uma extremidade e saindo pela outra. Em seguida, ele viaja por um loop óptico. Dois feixes de luz, vindos de direções diferentes, entram no loop e completam uma superposição coerente após um ciclo. A luz que retorna reentra 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. São reconhecidos por sua precisão, confiabilidade e durabilidade excepcionais. Ao contrário dos giroscópios mecânicos, os FOGs não possuem partes móveis, o que reduz 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 estão incorporando cada vez mais FOGs devido à sua alta precisão e confiabilidade. Esses giroscópios fornecem as medições de velocidade angular cruciais necessárias para a determinação precisa da orientação e posição. Ao integrar FOGs aos sistemas de navegação inercial existentes, os operadores podem se beneficiar de uma precisão de navegação aprimorada, especialmente em situações em que extrema precisão é necessária.
Aplicações de Giroscópios de Fibra Óptica na Navegação Inercial
A inclusão de FOGs expandiu as aplicações de sistemas de navegação inercial em diversos domínios. Nos setores aeroespacial e de aviação, sistemas equipados com FOGs oferecem soluções de navegação precisas para aeronaves, drones e espaçonaves. Eles também são amplamente utilizados em navegação marítima, levantamentos geológicos e 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, com a predominante atualmente entrando no reino da engenharia sendo ogiroscópio de fibra óptica de manutenção de polarização em malha fechada. No centro deste giroscópio está oloop de fibra de manutenção de polarização, composto por 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 características deFibra Óptica G de Manutenção de Polarizaçãobobina yro
▶Design de estrutura exclusivo:Os loops do giroscópio apresentam um design de estrutura diferenciado que acomoda vários tipos de fibras que mantêm a polarização com facilidade.
▶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 materiais avançados de gel de vedação, combinado com uma técnica de cura exclusiva, aumenta a resistência às vibrações, tornando esses loops de giroscópio ideais para aplicações em ambientes exigentes.
▶Estabilidade de coerência em altas temperaturas:Os loops do giroscópio exibem alta estabilidade de coerência de temperatura, garantindo precisão mesmo em condições térmicas variáveis.
▶Estrutura leve e 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, OJ (2007). Uma introdução à navegação inercial.Universidade de Cambridge, Laboratório de Computação, UCAM-CL-TR-696.
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