Präzise Navigation mit interferometrischen faseroptischen Gyroskopen (IFOGs)

Als vor beinahe 100 Jahren erstmals unbemannte Flugzeuge entwickelt wurden, standen ihre Schöpfer vor einem grundlegenden Problem. Wie konnte das Flugzeug seine Position und Flugrichtung (Flugkurve) kennen, wenn kein menschlicher Pilot all diese Werte überwachte? Um dieses Problem zu lösen, entwickelten sie das, was heute als Trägheitsnavigationssystem (oder Trägheitsleitsystem) bezeichnet wird. 

Trägheitsnavigationssysteme (Inertial Guidance Systems, IGS) sind darauf ausgelegt, die aktuelle Bewegungsrichtung eines Fahr- oder Flugzeugs zu erkennen und zu berechnen, wie weit es sich von seinem Startpunkt wegbewegt hat. Hierfür messen sie kontinuierlich die Winkelgeschwindigkeit und lineare Beschleunigung, während sich das Fahrzeug in Bewegung befindet. Dies wird als „Koppelnavigation“ bezeichnet. Das wichtigste Merkmal der Koppelnavigation ist, dass sie keinen externen Referenzpunkt benötigt. Anders gesagt: Sie muss keinen Magnetkompass auslesen, die Sterne sehen oder die Position der Sonne, des Horizonts oder irgendetwas anderes kennen, um ihren Standort zu bestimmen. Diese Vorteile sind unerlässlich dafür, ein Fahr- oder Flugzeug zu lenken, das ohne menschlichen Piloten agieren soll.

Weil es keine externen Referenzpunkte benötigt, lässt sich ein IGS nur schwer erkennen, hacken oder stören. Daher sind diese Systeme sowohl für militärische als auch für kommerzielle Anwendungen sehr wertvoll. Über GPS-Systeme lässt sich zwar inzwischen verlässlich die aktuelle Position bestimmen, aber sie benötigen hierfür die Signale von mindestens vier Satelliten. Das kann in Tunneln, zwischen hohen Gebäuden, im Weltraum oder unter Wasser zu Problemen führen. Außerdem ist ein IGS weiterhin die beste Methode, um Fahrzeuge (und insbesondere Flugzeuge) aktiv zu stabilisieren. Es ist auch für die Stabilisierung stationärer Strukturen wie Teleskop-Arrays oder Antennen für die Himmelsbeobachtung geeignet. 

Bessere Navigation ermöglichen

Das erste IGS wurde in den 1930er-Jahren für Raketen entwickelt und verwendete herkömmliche mechanische Beschleunigungsmesser und Gyroskope (Rotationsmassenkreisel). Diese erzeugten elektrische Signale, die die Steuerruder beeinflussten, um den Flugkurs dynamisch anzupassen. 

Im Laufe der Jahre wurden IGS dank verschiedener Entwicklungen in den Bereichen von Festkörpern, digitaler Elektronik und Computern kleiner und präziser. Weitere Fortschritte erlebten sie durch die Einführung von Ringlaser-Gyroskopen (RLGs) in den 1970ern, die Entwicklung faseroptischer Gyroskope in den 1980ern und mikroelektromechanische Systeme (MEMs) in den 1990ern.   So wurden sie zu einer weitverbreiteten Technologie in kommerziellen und militärischen Anwendungen, die präzise Navigation und Fahrzeugstabilität erforderten.

Derzeit sind IFOGs die am häufigsten eingesetzte Technologie für herausfordernde IGS-Anwendungen, weil sie die präzisesten Positionsdaten bereitstellen (insbesondere im Vergleich zu MEMs, wenn keine GPS-Signale verfügbar sind, um die Positionsdaten zu ergänzen). Auch sind sie kleiner, robuster und kostengünstiger als RLGs.

Was ist ein IFOG?

Aber was genau ist ein IFOG und wie funktioniert es? In seinem Zentrum stehen eine Spule aus optischen Fasern und eine Lichtquelle.  Das Licht aus der Quelle wird in zwei Strahlen gespalten, die dann in verschiedene Enden der Faserspule eingespeist werden und sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen (eine im Uhrzeigersinn, die andere dagegen).    

Wenn sich das System nicht bewegt, benötigen beide Strahlen dieselbe Zeit, um die Faserspule zu durchlaufen. Wenn die Spule aufgrund einer Bewegung des Fahr- oder Flugzeugs rotiert, bewegt sich der Strahl, der in Richtung der Rotation unterwegs ist, weiter als der entgegengesetzte Strahl, da sich das Ausgangsende der Faser während seiner Bewegung in die andere Richtung bewegt. Dieser Unterschied wird gemessen und verwendet, um die aktuelle Position zu bestimmen. Typischerweise werden drei jeweils einzeln im rechten Winkel zu den anderen beiden montierte Spulen für ein IGS verwendet, das die Drehung in allen drei Achsen erfasst.

Herstellung von Präzisions-IFOGs

Natürlich ist jede Menge Technologie erforderlich, um ein IFOG herzustellen, das die richtige Mischung aus Leistung, Größe, Verlässlichkeit und Kosten für eine bestimmte Anwendung bietet. In Bezug auf optische Konfiguration, Signalverarbeitungselektronik usw. werden verschiedene Bauformen eingesetzt. 

Und doch haben all diese unterschiedlichen Bauformen ziemlich ähnliche Anforderungen an die spezielle faseroptische Spule im Inneren des Systems.  Parameter wie die Qualität, Länge und Art der optischen Fasern sowie der gesamte IFOG-Durchmesser sind wichtige Entscheidungen, die getroffen werden müssen, um eine Anwendung korrekt zu unterstützen.   

Um mit IFOGs eine präzise Navigation zu ermöglichen, ist zudem eine robuste Kontrolle über den Faserherstellungsprozess erforderlich, um in der gesamten Spule die höchste Qualität zu gewährleisten. Zudem müssen in den Aufwickelprozessen verschiedene Geometrien innerhalb des Spulenformats sorgfältig berücksichtigt werden. Eine perfekt symmetrische Wicklung der Faserspule ist von entscheidender Bedeutung (sodass die sich in entgegengesetzte Richtung ausbreitenden Strahlen identischen Bedingungen ausgesetzt sind). Wichtig ist außerdem, die mechanische Belastung in der gewickelten Faser zu minimieren. Hierfür ist ein gutes Maß an Fachwissen und Prozesserfahrung erforderlich. 

Die Navigation führt zu Coherent

Coherent ist führend in der IFOG-Innovation und besitzt die umfangreichen Kompetenzen für die vertikal integrierte IFOG-Spulenherstellung – vom Ziehen des Glasfaserkabels bis zum Wickeln der Spulen. Unsere Spulen werden mit niedriger Wickelspannung, hergestellt und der Prozess wird von Technikern überwacht, um sowohl in üblichen als auch in kundenspezifischen Wickelmustern überragende Dichte zu gewährleisten und Lücken zu verhindern. Da wir jeden Schritt des Prozesses kontrollieren, können wir zudem Probleme in der Lieferkette vermeiden, die Lieferzeiten beeinträchtigen könnten.  

Wir bei Coherent wissen, dass jedes Navigationssystem einzigartige und anspruchsvolle Anforderungen erfüllen muss. Unsere Technikspezialisten arbeiten mit unseren Kunden zusammen, um die für sie ideale IFOG-Spulenlösung zu produzieren. So kann Coherent einige der komplexesten IFOG-Spulen der Branche herstellen und unterstützt eine große Bandbreite an Optionen wie Spezialfasertypen, Beschichtungen und Spulenkonfigurationen. Dank dieser Fähigkeiten können unsere IFOG-Spulen für einen Einsatz in den spezifischen Unterwasser-, Luft- oder kommerziellen Systemen optimiert werden, für die sie entwickelt werden.    

Inzwischen hat sich der Markt für IFOGs weit über die Steuerung von pilotengesteuerten und unbemannten Flugzeugen hinaus entwickelt. Kontinuierliche technische Fortschritte, die IFOGs kleiner, verlässlicher und günstiger gemacht haben, ermöglichen ihren Einsatz in allen Arten von kommerziellen und militärischen Fluggeräten und Bodenfahrzeugen, U-Booten, Raumfahrzeugen, Bohrsystemen und anderen Anwendungen. Sie werden inzwischen sogar für die Stabilisierung feststehender Strukturen wie Windkraftturbinen und großen Antennen verwendet. Der nächste potenzielle Einsatzbereich sind die autonome Navigation und Stabilitätskontrolle für Fahrzeuge. Auch in Ihrer Zukunft könnte also bald ein IFOG zum Einsatz kommen.

Mehr über IFOGs erfahren Sie hier.

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