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 essenciais, incluindo a posição inicial, a orientação inicial, a direção e a orientação do movimento a cada instante, 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 informações sobre a orientação (atitude) e a posição atuais de um objeto em movimento, os sistemas de navegação inercial empregam um conjunto de sensores críticos, principalmente 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 sobre velocidade e posição relativa. Posteriormente, essas informações são transformadas para o sistema de coordenadas de navegação, em conjunto com os dados de posição inicial, culminando na determinação da localização atual do veículo.
Princípios de funcionamento dos sistemas de navegação inercial
Os sistemas de navegação inercial operam como sistemas de navegação internos autônomos em circuito fechado. Eles não dependem de atualizações de dados externos em tempo real para corrigir erros durante o movimento da embarcação. Dessa forma, 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 capacidade de ocultação da navegação inercial
Nas tecnologias de navegação modernas, incluindo navegação astronômica, navegação por satélite e radionavegação, a navegação inercial destaca-se 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 discrição, tornando-os ideais para aplicações que exigem o máximo sigilo.
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 nos dados dos giroscópios, estabelece um sistema de coordenadas de navegação, enquanto utiliza os dados dos acelerômetros para calcular a velocidade e a posição da aeronave nesse sistema.
Aplicações da Navegação Inercial
A tecnologia inercial encontrou ampla aplicação em diversos domínios, incluindo aeroespacial, aviação, marítimo, exploração de petróleo, geodesia, levantamentos oceanográficos, perfuração geológica, robótica e sistemas ferroviários. Com o advento de sensores inerciais avançados, a tecnologia inercial expandiu sua utilidade para a indústria automotiva e dispositivos eletrônicos médicos, entre outros campos. Essa crescente gama de aplicações ressalta o papel cada vez mais crucial da navegação inercial em fornecer 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 veículo com notável precisão.
Operação do giroscópio de fibra óptica
Os FOGs operam com base no princípio do efeito Sagnac, que consiste em dividir um feixe de laser em dois caminhos separados, permitindo que ele viaje em direções opostas ao longo de uma espiral de fibra óptica. Quando o suporte, embutido no FOG, gira, a diferença no tempo de percurso entre os dois feixes é proporcional à velocidade angular de rotação do suporte. Esse atraso temporal, conhecido como defasagem de Sagnac, é então medido com precisão, permitindo que o FOG forneça dados acurados sobre a rotação do suporte.
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 por outra. Em seguida, percorre um laço óptico. Dois feixes de luz, provenientes de direções diferentes, entram no laço e completam uma superposição coerente após completarem uma volta. A luz que retorna incide sobre 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 dos fatores que afetam o comprimento do percurso óptico dos dois feixes de luz. Essa é uma das questões mais críticas enfrentadas 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 giroscópios de fibra óptica (FOGs) oferecem diversas vantagens que os tornam indispensáveis em sistemas de navegação inercial. São reconhecidos por sua excepcional precisão, confiabilidade e durabilidade. Ao contrário dos giroscópios mecânicos, os FOGs não possuem partes móveis, reduzindo o risco de desgaste. Além disso, são resistentes a choques e vibrações, o que os torna 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 giroscópios de fibra óptica (FOGs) devido à sua alta precisão e confiabilidade. Esses giroscópios fornecem as medições cruciais de velocidade angular necessárias para a determinação precisa da orientação e posição. Ao integrar os FOGs aos sistemas de navegação inercial existentes, os operadores podem se beneficiar de uma maior precisão de navegação, especialmente em situações onde extrema precisão é necessária.
Aplicações de giroscópios de fibra óptica na navegação inercial
A inclusão de FOGs (giratórios de fibra óptica) expandiu as aplicações de sistemas de navegação inercial em diversos domínios. Na indústria 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 apresentam diversas configurações estruturais, sendo a predominante atualmente em uso na engenharia a...giroscópio de fibra óptica com manutenção de polarização em circuito fechadoNo núcleo deste giroscópio está olaço de fibra de manutenção de polarização, composta por fibras que mantêm a polarização e uma estrutura projetada com precisão. A construção desse laço envolve um método de enrolamento com simetria quádrupla, complementado por um gel de vedação exclusivo para formar uma bobina de laço de fibra de estado sólido.
Principais características deFibra óptica de manutenção de polarização GBobina yro
▶Design de estrutura exclusivo:Os anéis giroscópicos apresentam um design de estrutura diferenciado que acomoda com facilidade diversos 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 selante avançado:O uso de materiais de gel de vedação avançados, combinado com uma técnica de cura exclusiva, aumenta a resistência às vibrações, tornando esses anéis giroscópicos ideais para aplicações em ambientes exigentes.
▶Estabilidade de coerência em altas temperaturas:Os circuitos giroscópicos exibem alta estabilidade de coerência térmica, garantindo precisão mesmo em condições térmicas variáveis.
▶Estrutura simplificada e leve:Os anéis 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 às exigências de diversos 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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