ระบบการนําทางอินเทรเนเชียลอินเทรเนเชียลแบบไฟเบอร์ออปติก คืออะไร? หลักการและการใช้งาน

ระบบนำทางเฉื่อยแบบบูรณาการใยแก้วนำแสงคืออะไร? หลักการและการประยุกต์ใช้

1. บทนำ

ระบบนำทางเฉื่อยแบบบูรณาการใยแก้วนำแสง (Fiber Optic Inertial Integrated Navigation System) เป็นโซลูชันการนำทางที่มีความแม่นยำสูงและทำงานได้อัตโนมัติเต็มรูปแบบ สร้างขึ้นด้วยไจโรสโคปใยแก้วนำแสง (FOG) และเครื่องวัดความเร่งประสิทธิภาพสูงเป็นอุปกรณ์ตรวจจับเฉื่อยหลัก แตกต่างจากโมดูลนำทาง MEMS แบบดั้งเดิมที่เน้นต้นทุนต่ำและการย่อขนาด ระบบนำทางเฉื่อยใยแก้วนำแสงมีคุณสมบัติการดริฟท์ต่ำมาก โครงสร้างแบบโซลิดสเตต และความเสถียรระยะยาว ทำให้เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการนำทางที่น่าเชื่อถือที่สุดสำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรมทางทะเลและอากาศยานระดับไฮเอนด์

เนื่องจากการนำทางเฉื่อยเพียงอย่างเดียวหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะเกิดข้อผิดพลาดสะสมระหว่างการทำงานระยะยาว ระบบเฉื่อยใยแก้วนำแสงมักจะรวมกับ GNSS, มาตรวัดระยะทาง, DVL หรือแหล่งนำทางเสริมอื่นๆ เพื่อสร้าง โซลูชันการนำทางแบบบูรณาการ วิธีการรวมนี้จะชดเชยการดริฟท์ของระบบเฉื่อยด้วยข้อมูลตำแหน่งภายนอก และบรรลุผลลัพธ์การนำทางแบบต่อเนื่องที่มีความแม่นยำสูงและเชื่อถือได้ในทุกสถานการณ์

2. หลักการทำงานหลัก

2.1 การตรวจจับหลักของหน่วยวัดเฉื่อยใยแก้วนำแสง

หน่วยเฉื่อยใยแก้วนำแสงจะรวบรวมข้อมูลความเร็วเชิงมุมสามแกนและแรงเฉพาะสามแกนแบบเรียลไทม์ผ่านไจโรสโคปใยแก้วนำแสงและเครื่องวัดความเร่งความแม่นยำ ตามหลักการตรวจจับแสง Sagnac ไจโรสโคปจะจับการเปลี่ยนแปลงการหมุนของพาหะโดยไม่มีชิ้นส่วนที่หมุนด้วยกลไก ทำให้การวัดทัศนคติแบบไม่มีการสึกหรอและมีความเสถียรสูง เครื่องวัดความเร่งจะตรวจจับการเคลื่อนที่เชิงเส้นและการเปลี่ยนแปลงแรงโน้มถ่วงของพาหะได้อย่างแม่นยำ

ผ่านการคำนวณอัลกอริทึมการนำทางเฉื่อยแบบเรียลไทม์ ระบบจะส่งออกมุมทัศนคติ อัตราเชิงมุม ความเร็ว และข้อมูลเฉื่อยต้นฉบับอย่างต่อเนื่อง ให้การอ้างอิงสถานะการเคลื่อนที่ความถี่สูงพิเศษสำหรับพาหะ

2.2 การรวมหลายเซ็นเซอร์และการแก้ไขข้อผิดพลาด

ระบบนำทางแบบบูรณาการใช้การกรองแบบ Kalman ขั้นสูงและอัลกอริทึมการรวมแบบปรับตัวเพื่อเชื่อมโยงข้อมูลเฉื่อยกับ GNSS หรือข้อมูลนำทางเสริมอื่นๆ อย่างแน่นหนา

เมื่อสัญญาณดาวเทียมมีความเสถียร GNSS จะแก้ไขการดริฟท์ระยะยาวของการนำทางเฉื่อยและรักษาความแม่นยำของตำแหน่งสัมบูรณ์ เมื่อ GNSS ถูกบล็อก ถูกขัดจังหวะ หรือถูกรบกวน หน่วยเฉื่อยใยแก้วนำแสงจะรับผิดชอบการคำนวณระยะทางที่แม่นยำสูงโดยอัตโนมัติเพื่อให้แน่ใจว่าการนำทางยังคงดำเนินต่อไป เซ็นเซอร์ทั้งสองจะเสริมซึ่งกันและกันอย่างสมบูรณ์แบบ ทำให้เกิด ไม่มีการดริฟท์ในระยะยาว ไม่มีการหยุดชะงักในระยะสั้น.

3. ข้อได้เปรียบหลักของการนำทางแบบบูรณาการใยแก้วนำแสง

• การดริฟท์ระยะยาวต่ำมาก ไจโรสโคปใยแก้วนำแสงไม่มีแรงเสียดทานเชิงกลและการสึกหรอของโครงสร้าง ช่วยลดข้อผิดพลาดสะสมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเหนือกว่าความเสถียรของระบบนำทางเฉื่อย MEMS ทั่วไปอย่างมาก
• การต่อต้านการรบกวนและการทำงานอัตโนมัติที่แข็งแกร่ง ไม่ต้องพึ่งพาสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก และสามารถทำงานได้ตามปกติภายใต้สภาวะที่ GNSS ถูกปฏิเสธ การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนและมีสิ่งกำบัง
• ความสามารถในการปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมที่ยอดเยี่ยม โครงสร้างแสงแบบโซลิดสเตตมีความทนทานต่อการสั่นสะเทือน การกระแทก และความเสถียรในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง เหมาะสำหรับการทำงานต่อเนื่องระยะยาวของอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์
• เอาต์พุตความถี่สูงและความแม่นยำสูง ให้ข้อมูลทัศนคติและการนำทางด้วยอัตราสูง ซึ่งสามารถจับการเปลี่ยนแปลงทัศนคติเล็กน้อยและการเคลื่อนที่แบบไดนามิกสูงของพาหะได้อย่างแม่นยำ
• อายุการใช้งานยาวนานและความน่าเชื่อถือสูง การออกแบบที่ไม่มีการสูญเสียเชิงกลช่วยลดอัตราความล้มเหลวและต้นทุนการบำรุงรักษาได้อย่างมาก ตรงตามข้อกำหนดภารกิจวงจรยาวของอุปกรณ์การบินและอวกาศและอุปกรณ์ทางทะเล

4. ความแตกต่างระหว่างการนำทางแบบบูรณาการ FOG และการนำทางแบบบูรณาการ MEMS

การนำทางเฉื่อย MEMS มีลักษณะเฉพาะคือการย่อขนาด การใช้พลังงานต่ำ และต้นทุนต่ำ และมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในโดรนสำหรับผู้บริโภค AGV และอุปกรณ์อัจฉริยะสำหรับพลเรือนความเร็วต่ำ อย่างไรก็ตาม มีการดริฟท์ค่อนข้างมากและไม่เหมาะสำหรับภารกิจที่ต้องการความแม่นยำสูงและใช้งานได้ยาวนานเป็นพิเศษ

การนำทางแบบบูรณาการใยแก้วนำแสงยอมเสียสละการย่อขนาดและประสิทธิภาพด้านต้นทุนบางส่วน เพื่อแลกกับ ความเสถียรสูงพิเศษและการดริฟท์ต่ำพิเศษ ส่วนใหญ่ใช้สำหรับสถานการณ์ระดับไฮเอนด์ที่ต้องการความทนทานยาวนาน ความแม่นยำสูง และความน่าเชื่อถือสูง สร้างตำแหน่งผลิตภัณฑ์ที่เสริมซึ่งกันและกันกับการนำทางเฉื่อย MEMS

5. สถานการณ์การใช้งานหลัก

• อุปกรณ์ทางทะเลและใต้น้ำ เรือนอกชายฝั่ง UUV ใต้น้ำ และอุปกรณ์ตรวจจับใต้น้ำ บรรลุการนำทางอัตโนมัติระยะยาวโดยไม่มีสัญญาณดาวเทียม
• อากาศยานและอากาศยานพิเศษ เครื่องบินปีกคงที่ขนาดกลางและขนาดใหญ่ เฮลิคอปเตอร์ และแพลตฟอร์มการบินพิเศษความเร็วสูง ให้การอ้างอิงทัศนคติและการนำทางที่เสถียรสำหรับการบินแบบไดนามิกสูง
• การสำรวจและทำแผนที่ความแม่นยำสูง ระบบทำแผนที่เคลื่อนที่บนยานพาหนะ บนเรือ และบนอากาศ สนับสนุนการคำนวณข้อมูล POS ความแม่นยำสูง
• อุปกรณ์อัจฉริยะพิเศษ รถยนต์ไร้คนขับระดับไฮเอนด์ ระบบรักษาเสถียรภาพเครื่องจักรกลวิศวกรรม และแพลตฟอร์มโรบอทพิเศษที่ต้องการการนำทางที่มีความเสถียรสูง

6. สรุปทางเทคนิค

ในฐานะโซลูชันการนำทางเฉื่อยระดับไฮเอนด์ ระบบนำทางเฉื่อยแบบบูรณาการใยแก้วนำแสงได้รวมข้อดีของการตรวจจับเฉื่อยอัตโนมัติและการรวมข้อมูลหลายแหล่งเข้าด้วยกัน สามารถแก้ไขปัญหาหลักของอุตสาหกรรมที่ต้องพึ่งพาสัญญาณและข้อผิดพลาดสะสมของวิธีการนำทางแบบดั้งเดิม ด้วยความเสถียรและความน่าเชื่อถือที่โดดเด่น ได้กลายเป็นโครงสร้างการนำทางหลักสำหรับอุปกรณ์อัจฉริยะระดับไฮเอนด์ในสาขาทางทะเล อากาศยาน และการสำรวจความแม่นยำ