Всесторонний технический обзор гироскопов в инерциальной навигации

1. Введение

Гироскопы являются основными сенсорными компонентами инерциальных навигационных систем (ИНС).
Они обеспечивают стабильную инерциальную систему отсчета и измеряют угловую скорость движущейся платформы относительно инерциального пространства, обеспечивая:

• Полностью автономное позиционирование

• Непрерывный вывод данных об ориентации и положении

• Высокую устойчивость к электромагнитным помехам

• Работу без GPS или внешних сигналов

Гироскопы широко используются в:

• Аэрокосмической отрасли

• Морских и подводных системах

• Ракетах и системах наведения оружия

• БПЛА и робототехнике

• Промышленной автоматизации

• Геодезии и картографии

• Бытовой электронике

2. Классификация гироскопов

Гироскопы можно классифицировать в соответствии с принципами работы:

2.1 Классические механические гироскопы

(1) Роторный гироскоп

• Основан на вращающейся с высокой скоростью массе

• Традиционная технология

• Исторически использовался на кораблях, самолетах и подводных лодках

(2) Вибрационный гироскоп

• Измеряет силы Кориолиса, генерируемые вибрацией упругой структуры

• Легкий, маленький, низкое энергопотребление

• Является основой многих современных MEMS-гироскопов

2.2 Квантовые / оптические гироскопы

(1) Оптические гироскопы

Используют эффект Саньяка для определения угловой скорости посредством интерференции света.

Основные типы включают:

• RLG – кольцевой лазерный гироскоп

• IFOG – интерференционный волоконно-оптический гироскоп

Преимущества:

• Отсутствие движущихся частей

• Чрезвычайно высокая точность

• Длительный срок службы и высокая надежность

• Широко используются в авиации, аэрокосмической отрасли, морских системах и высокотехнологичных оборонных системах

3. Классы точности гироскопов

Различные технологии гироскопов обеспечивают разные уровни точности.
Стандартные для отрасли диапазоны точности показаны ниже.

3.1 Таблица точности

3.2 Пояснение к классам точности

Стратегический класс

Точность:

• Стабильность смещения: 0.0001 – 0.01 °/ч

Используется для:

• ИНС подводных лодок

• Баллистических и стратегических ракет

• Высококлассных аэрокосмических платформ

Доминирующие технологии:

• Высокопроизводительные RLG

• Высококлассные IFOG

Навигационный класс

Точность:

• Стабильность смещения: 0.01 – 1 °/ч

Применения:

• ИНС самолетов

• Навигация кораблей и наземного транспорта

• Картография и геодезия

Технологии:

• RLG

• Высококлассные IFOG

Тактический класс

Точность:

• Стабильность смещения: 1 – 100 °/ч

Применения:

• БПЛА

• Системы стабилизации

• Оружие средней дальности

Технологии:

• IFOG

• DTG

• Кварцевые гироскопы

Коммерческий / потребительский класс

Точность:

• Стабильность смещения: 100 – 10 000+ °/ч

Особенности:

• Малый размер

• Низкая стоимость

• Высокая технологичность

Применения:

• Смартфоны и планшеты

• Коммерческие дроны

• Промышленные роботы

• Блоки управления наземными транспортными средствами

• Носимые устройства

Технология:

• MEMS-гироскопы

4. Тенденции развития технологий

Развитие гироскопов движется в направлении:

• Механические → Оптические → Твердотельные MEMS

• Аналоговые → Высокоскоростная цифровая обработка

• Большие автономные системы → Высокоинтегрированные IMU

• В первую очередь военные → Быстрое расширение на коммерческие рынки

Оптические гироскопы (RLG, IFOG) доминируют на высокоточных оборонных и аэрокосмических рынках, в то время как MEMS-гироскопы стали стандартом для массовых коммерческих приложений.

5. Резюме

Гироскопы являются основой современной инерциальной навигации. Различные технологии и классы продуктов соответствуют различным требованиям к производительности:

• RLG и IFOG обеспечивают чрезвычайно высокую точность, подходящую для стратегических и навигационных задач.

• DTG, кварцевые и IFOG среднего уровня широко используются в тактических системах.

• MEMS-гироскопы теперь поддерживают миллиарды коммерческих устройств, включая дроны, роботов и бытовую электронику.

Если ваше приложение требует:

• Высокоточная инерциальная навигация

• ИНС на основе оптических гироскопов

• MEMS IMU

• Инженерная интеграция и настройка системы

Наша инженерная команда может предоставить комплексные решения от сенсорных модулей до полных навигационных систем.