¿Qué es la navegación inercial?
Fundamentos de la navegación inercial
Los principios fundamentales de la navegación inercial son similares a los de otros métodos de navegación. Se basan en la adquisición de información clave, como la posición inicial, la orientación inicial, la dirección y la orientación del movimiento en cada momento, y en la integración progresiva de estos datos (de forma análoga a las operaciones de integración matemática) para determinar con precisión parámetros de navegación, como la orientación y la posición.
El papel de los sensores en la navegación inercial
Para obtener la orientación (actitud) y la información de posición actuales de un objeto en movimiento, los sistemas de navegación inercial emplean un conjunto de sensores esenciales, compuestos principalmente por acelerómetros y giroscopios. Estos sensores miden la velocidad angular y la aceleración del portador en un sistema de referencia inercial. Los datos se integran y procesan a lo largo del tiempo para obtener información sobre la velocidad y la posición relativa. Posteriormente, esta información se transforma en el sistema de coordenadas de navegación, junto con los datos de posición inicial, lo que culmina en la determinación de la ubicación actual del portador.
Principios de funcionamiento de los sistemas de navegación inercial
Los sistemas de navegación inercial funcionan como sistemas de navegación internos de bucle cerrado, autónomos. No dependen de actualizaciones de datos externos en tiempo real para corregir errores durante el movimiento del portaaviones. Por lo tanto, un único sistema de navegación inercial es adecuado para tareas de navegación de corta duración. Para operaciones de larga duración, debe combinarse con otros métodos de navegación, como los sistemas de navegación por satélite, para corregir periódicamente los errores internos acumulados.
La ocultabilidad de la navegación inercial
En las tecnologías de navegación modernas, como la navegación astronómica, la navegación por satélite y la radionavegación, la navegación inercial destaca por su autonomía. No emite señales al entorno externo ni depende de objetos celestes ni señales externas. Por consiguiente, los sistemas de navegación inercial ofrecen el máximo nivel de ocultación, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren la máxima confidencialidad.
Definición oficial de navegación inercial
El Sistema de Navegación Inercial (INS) es un sistema de estimación de parámetros de navegación que emplea giroscopios y acelerómetros como sensores. El sistema, basado en la información de los giroscopios, establece un sistema de coordenadas de navegación y utiliza la información de los acelerómetros para calcular la velocidad y la posición del portador en dicho sistema.
Aplicaciones de la navegación inercial
La tecnología inercial ha encontrado amplias aplicaciones en diversos ámbitos, como la industria aeroespacial, la aviación, el sector marítimo, la exploración petrolera, la geodesia, los estudios oceanográficos, la perforación geológica, la robótica y los sistemas ferroviarios. Con la llegada de sensores inerciales avanzados, la tecnología inercial ha extendido su utilidad a la industria automotriz y a los dispositivos electrónicos médicos, entre otros campos. Este creciente alcance de aplicaciones subraya el papel cada vez más crucial de la navegación inercial al proporcionar capacidades de navegación y posicionamiento de alta precisión para una multitud de aplicaciones.
El componente principal de la guía inercial:Giroscopio de fibra óptica
Introducción a los giroscopios de fibra óptica
Los sistemas de navegación inercial dependen en gran medida de la exactitud y precisión de sus componentes principales. Uno de estos componentes, que ha mejorado significativamente las capacidades de estos sistemas, es el giroscopio de fibra óptica (FOG). El FOG es un sensor crucial que desempeña un papel fundamental en la medición de la velocidad angular del portador con una precisión excepcional.
Funcionamiento del giroscopio de fibra óptica
Los FOG funcionan según el principio del efecto Sagnac, que consiste en dividir un haz láser en dos trayectorias separadas, lo que le permite viajar en direcciones opuestas a lo largo de un bucle de fibra óptica enrollado. Cuando el portador, integrado en el FOG, gira, la diferencia en el tiempo de recorrido entre los dos haces es proporcional a la velocidad angular de rotación del portador. Este retardo, conocido como desplazamiento de fase Sagnac, se mide con precisión, lo que permite al FOG proporcionar datos precisos sobre la rotación del portador.
El principio de un giroscopio de fibra óptica consiste en emitir un haz de luz desde un fotodetector. Este haz pasa por un acoplador, entrando por un extremo y saliendo por el otro. Posteriormente, viaja a través de un bucle óptico. Dos haces de luz, provenientes de direcciones diferentes, entran en el bucle y completan una superposición coherente tras dar una vuelta. La luz de retorno reingresa a un diodo emisor de luz (LED), que se utiliza para detectar su intensidad. Si bien el principio de un giroscopio de fibra óptica puede parecer sencillo, el mayor desafío reside en eliminar los factores que afectan la longitud del recorrido óptico de los dos haces de luz. Este es uno de los problemas más críticos a los que se enfrenta el desarrollo de giroscopios de fibra óptica.
1：diodo superluminiscente 2：diodo fotodetector
3. acoplador de fuente de luz 4.acoplador de anillo de fibra 5. Anillo de fibra óptica
Ventajas de los giroscopios de fibra óptica
Los FOG ofrecen varias ventajas que los hacen invaluables en los sistemas de navegación inercial. Son reconocidos por su excepcional precisión, fiabilidad y durabilidad. A diferencia de los giroscopios mecánicos, los FOG no tienen partes móviles, lo que reduce el riesgo de desgaste. Además, son resistentes a golpes y vibraciones, lo que los hace ideales para entornos exigentes como las aplicaciones aeroespaciales y de defensa.
Integración de giroscopios de fibra óptica en la navegación inercial
Los sistemas de navegación inercial incorporan cada vez más giroscopios FOG debido a su alta precisión y fiabilidad. Estos giroscopios proporcionan las mediciones cruciales de velocidad angular necesarias para determinar con precisión la orientación y la posición. Al integrar los FOG en los sistemas de navegación inercial existentes, los operadores pueden beneficiarse de una mayor precisión de navegación, especialmente en situaciones donde se requiere una precisión extrema.
Aplicaciones de los giroscopios de fibra óptica en la navegación inercial
La inclusión de FOG ha ampliado las aplicaciones de los sistemas de navegación inercial en diversos ámbitos. En el sector aeroespacial y de la aviación, los sistemas equipados con FOG ofrecen soluciones de navegación precisas para aeronaves, drones y naves espaciales. También se utilizan ampliamente en la navegación marítima, los estudios geológicos y la robótica avanzada, lo que permite que estos sistemas operen con mayor rendimiento y fiabilidad.
Diferentes variantes estructurales de giroscopios de fibra óptica
Los giroscopios de fibra óptica vienen en varias configuraciones estructurales, siendo la predominante actualmente en el ámbito de la ingeniería laGiroscopio de fibra óptica con mantenimiento de polarización de bucle cerradoEn el núcleo de este giroscopio se encuentra elbucle de fibra que mantiene la polarizaciónCompuesto por fibras que mantienen la polarización y una estructura diseñada con precisión. La construcción de este bucle implica un método de bobinado simétrico cuádruple, complementado con un gel de sellado único para formar una bobina de bucle de fibra de estado sólido.
Características principales deFibra óptica que mantiene la polarización GBobina yro
▶Diseño de marco único:Los bucles del giroscopio cuentan con un diseño de estructura distintivo que se adapta con facilidad a distintos tipos de fibras que mantienen la polarización.
▶Técnica de bobinado simétrico cuádruple:La técnica de bobinado simétrico cuádruple minimiza el efecto Shupe, garantizando mediciones precisas y confiables.
▶Material de gel de sellado avanzado:El empleo de materiales de gel de sellado avanzados, combinado con una técnica de curado única, mejora la resistencia a las vibraciones, lo que hace que estos bucles de giroscopio sean ideales para aplicaciones en entornos exigentes.
▶Estabilidad de coherencia a alta temperatura:Los bucles del giroscopio presentan una alta estabilidad de coherencia de temperatura, lo que garantiza la precisión incluso en condiciones térmicas variables.
▶Marco ligero y simplificado:Los bucles del giroscopio están diseñados con una estructura sencilla pero liviana, lo que garantiza una alta precisión de procesamiento.
▶Proceso de bobinado consistente:El proceso de bobinado se mantiene estable, adaptándose a los requisitos de varios giroscopios de fibra óptica de precisión.
Referencia
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