使用干涉型光纤陀螺仪 (IFOG) 进行精确导航

Coherent IFOG 线圈有助于飞机、航天器、潜艇甚至钻孔系统的制导,有助于稳定重型设备平台、大型天线和其他结构,以后还可能应用于自动驾驶汽车中。

2022 年 8 月 1 日,作者:Coherent 高意

大约 100 年前,设计人员在首次研发无人驾驶飞机时面临一个很基本的问题,那就是,飞行器如何在完全没有飞行员监控的情况下知道自己的位置和方向(轨迹)? 为了解决这个问题,设计人员开发出现在所谓的惯性制导系统(或惯性导航系统) 

惯性制导系统 (IGS) 旨在确定飞行器的当前方向并计算它从起点出发后移动了多远。惯性制导系统通过在飞行器运动时持续测量角速度和线性加速度来做到这一点。这个过程称为“航位推算”。航位推算方法的一大特点是,无需任何外部参考。也就是说,它不需要读取磁罗盘、观察星象或者知道太阳、地平线或任何其他物体的位置就能确定自己在哪里。这些特性对于任何无人驾驶的飞行器的制导都至关重要。

由于无需外部参考,惯性制导系统不容易被探测到,不容易被黑客入侵,不容易受到干扰。因此,这种系统在军事和商业应用中非常有用。如今,虽然 GPS 是一种可靠的定位方法,但 GPS 系统需要至少从四个卫星读取信号才能起作用。在隧道里、被高楼大厦包围的地方、太空和水下,可能难以做到这一点。此外,惯性制导系统至今仍是有效地稳定交通工具(尤其是飞机)的最佳方法,甚至能够稳定固定式结构,例如,用于追踪天空的望远镜阵列或天线。 

实现更好的导航

首个惯性制导系统于 20 世纪 30 年代面世,是为火箭而开发的,使用了机械加速度计和陀螺仪(旋转质量);这些器件产生的电信号用于控制方向舵去调整航线。 

在随后的多年,随着固态数字电子器件和计算机的发展,惯性制导系统变得越来越小且越来越精确。在 20 世纪 70 年代、80 年代和 90 年代,分别诞生了环形激光陀螺仪 (RLG)、光纤陀螺仪和微机电系统 (MEMS),进一步推动了惯性制导系统的发展。  这使得惯性制导系统被广泛用于需要精确导航和飞行器稳定性的商业和军事应用中。

IFOG 图片 1

目前,IFOG 是要求严苛的 IGS 应用中使用最广泛的技术,因为这种陀螺仪可提供极其准确的位置信息(在没有 GPS 信号可提供补充位置数据的情况下,这一优势较之于微机电系统更为明显)。而且,这种陀螺仪比环形激光陀螺仪更小、更坚固、成本更低。

什么是 IFOG?

那么,IFOG 到底是什么?其工作原理是怎样的? IFOG 的核心是光纤线圈和光源。 光源输出被分成两束,这些光束耦合到光纤线圈的两端,沿相反方向在光纤线圈中传播(一束沿顺时针方向传播,另一束沿逆时针方向传播)。   

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如果系统没有在移动,两束光通过光纤线圈所需的时间相同。如果线圈由于飞行器的运动而在旋转,沿着旋转方向传播的前向光束的传播速度要快于后向光束,因为光纤的输出端在沿着光束传播的相反方向移动。这种差异将被感测到并用于计算飞行器的位置。通常,三个线圈中每个都与另外两个成直角安装,用于创建惯性制导系统来感测所有三个轴的旋转。

制造精密 IFOG

当然,要为特定应用打造性能、大小、可靠性和成本方面都比较理想的 IFOG,需要相当多的技术。在光学配置、信号处理电子器件等方面,目前有多种不同的设计形式。 

但所有这些设计形式对于作为系统核心的特种光纤线圈的要求却极为相似。 光纤质量、光纤长度和光纤类型等参数以及 IFOG 外径的选择对于能否精确地支持应用至关重要。   

要实现基于 IFOG 的精确导航,还需要严格控制光纤制造工艺,以确保通过线圈获得最佳质量。还必须通过控制良好的缠绕工序仔细地将光纤缠绕成不同几何形状的线圈形式。光纤线圈必须以完全对称的方式缠绕(以便沿相反方向传播的光束经历完全相同的条件),而且尽可能降低缠绕光纤中的机械应力也很重要。要做到这一点,需要相当多的专业知识和工艺经验。 

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Coherent 高意助力导航

Coherent 高意在 IFOG 创新方面一马当先,维持着完全垂直整合的 IFOG 线圈制造能力,即从拉制特种光缆到将其缠绕成线圈的全部制造能力。我们的线圈在制造时使用较低缠绕张力,以尽可能降低线圈应力,而且整个过程由技术人员控制,确保典型和定制缠绕线型都具有出色的密度和带隙避免能力。此外,通过控制制造过程的每一步,我们可以减少可能会影响交货期的供应链问题。  

Coherent 高意意识到,每个导航系统都有独特的严格要求。我们的工程专家与每位客户合作,为客户打造理想的 IFOG 线圈解决方案。因此,Coherent 高意提供业内首屈一指的精密 IFOG 线圈,并在特种光纤类型、涂层和线圈配置等方面提供众多选择。这使我们的 IFOG 线圈可进行优化,以便部署在预期的特定水下系统、机载系统或商业系统中。   

如今,IFOG 的应用已远远不仅限于控制有人驾驶和无人驾驶飞行器的飞行。随着技术不断进步,IFOG 变得更小、更可靠且成本更低,使其应用范围扩大到涵盖各种商用和军用飞行器以及地面车辆、潜艇、航天器、钻孔系统等等。IFOG 现在甚至被用于稳定风力涡轮机和大型天线等固定结构。接下来,IFOG 的潜在应用是自主导航和车辆稳定性控制。所以,您以后的座驾可能会配有 IFOG。

可在此处详细了解干涉型光纤陀螺仪。