Qu'est-ce que la navigation inertielle ?
Principes fondamentaux de la navigation inertielle
Les principes fondamentaux de la navigation inertielle sont similaires à ceux des autres méthodes de navigation. Elle repose sur l'acquisition d'informations clés, notamment la position initiale, l'orientation initiale, la direction et l'orientation du mouvement à chaque instant, et sur l'intégration progressive de ces données (analogue aux opérations d'intégration mathématique) afin de déterminer avec précision les paramètres de navigation, tels que l'orientation et la position.
Le rôle des capteurs dans la navigation inertielle
Pour obtenir l'orientation (attitude) et la position actuelles d'un objet en mouvement, les systèmes de navigation inertielle utilisent un ensemble de capteurs critiques, principalement des accéléromètres et des gyroscopes. Ces capteurs mesurent la vitesse angulaire et l'accélération du porteur dans un référentiel inertiel. Les données sont ensuite intégrées et traitées dans le temps pour en déduire la vitesse et la position relative. Ces informations sont ensuite transformées dans le système de coordonnées de navigation, conjointement aux données de position initiale, permettant ainsi de déterminer la position actuelle du porteur.
Principes de fonctionnement des systèmes de navigation inertielle
Les systèmes de navigation inertielle fonctionnent comme des systèmes de navigation internes autonomes en boucle fermée. Ils ne dépendent pas de mises à jour de données externes en temps réel pour corriger les erreurs lors du déplacement du navire. De ce fait, un seul système de navigation inertielle convient aux missions de navigation de courte durée. Pour les opérations de longue durée, il doit être combiné à d'autres méthodes de navigation, telles que les systèmes de navigation par satellite, afin de corriger périodiquement les erreurs internes accumulées.
La dissimulabilité de la navigation inertielle
Parmi les technologies de navigation modernes, telles que la navigation astronomique, la navigation par satellite et la radionavigation, la navigation inertielle se distingue par son autonomie. Elle n'émet aucun signal vers l'environnement extérieur et ne dépend ni des astres ni de signaux externes. De ce fait, les systèmes de navigation inertielle offrent le plus haut degré de discrétion, ce qui les rend idéaux pour les applications exigeant une confidentialité absolue.
Définition officielle de la navigation inertielle
Un système de navigation inertielle (INS) est un système d'estimation des paramètres de navigation qui utilise des gyroscopes et des accéléromètres comme capteurs. À partir des données des gyroscopes, le système établit un système de coordonnées de navigation, tandis que les données des accéléromètres permettent de calculer la vitesse et la position du navire porteur dans ce système.
Applications de la navigation inertielle
La technologie inertielle trouve de nombreuses applications dans des domaines variés, tels que l'aérospatiale, l'aviation, le secteur maritime, l'exploration pétrolière, la géodésie, les levés océanographiques, le forage géologique, la robotique et les systèmes ferroviaires. Grâce à l'avènement de capteurs inertiels de pointe, son utilité s'est étendue à l'industrie automobile et aux dispositifs médicaux électroniques, entre autres. Cette diversification des applications souligne le rôle de plus en plus crucial de la navigation inertielle, qui fournit des capacités de navigation et de positionnement de haute précision pour une multitude d'applications.
Composante essentielle du guidage inertiel :Gyroscope à fibre optique
Introduction aux gyroscopes à fibre optique
Les systèmes de navigation inertielle dépendent fortement de la précision de leurs composants principaux. Parmi ces composants, le gyroscope à fibre optique (FOG) a considérablement amélioré les performances de ces systèmes. Le FOG est un capteur essentiel qui joue un rôle crucial dans la mesure de la vitesse angulaire du porteur avec une précision remarquable.
Fonctionnement du gyroscope à fibre optique
Les gyroscopes à fibre optique (FOG) fonctionnent selon le principe de l'effet Sagnac, qui consiste à diviser un faisceau laser en deux trajets distincts, leur permettant de se propager en sens opposés le long d'une boucle de fibre optique enroulée. Lorsque le support, intégrant le FOG, est en rotation, la différence de temps de propagation entre les deux faisceaux est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation du support. Ce déphasage, appelé déphasage de Sagnac, est ensuite mesuré avec précision, permettant au FOG de fournir des données exactes sur la rotation du support.
Le principe d'un gyroscope à fibre optique repose sur l'émission d'un faisceau lumineux par un photodétecteur. Ce faisceau traverse un coupleur, y entrant par une extrémité et en ressortant par l'autre. Il parcourt ensuite une boucle optique. Deux faisceaux lumineux, provenant de directions opposées, pénètrent dans la boucle et se superposent de manière cohérente après avoir effectué un tour complet. La lumière réfléchie est renvoyée vers une diode électroluminescente (DEL), qui permet de mesurer son intensité. Bien que le principe d'un gyroscope à fibre optique puisse paraître simple, la principale difficulté réside dans l'élimination des facteurs affectant le trajet optique des deux faisceaux lumineux. Il s'agit là d'un des enjeux majeurs du développement des gyroscopes à fibre optique.
1 : diode superluminescente 2 : diode photodétectrice
3. Coupleur de source lumineuse 4.coupleur annulaire en fibre 5. Anneau en fibre optique
Avantages des gyroscopes à fibre optique
Les gyroscopes à fibre optique (FOG) offrent plusieurs avantages qui les rendent indispensables aux systèmes de navigation inertielle. Ils sont réputés pour leur précision, leur fiabilité et leur durabilité exceptionnelles. Contrairement aux gyroscopes mécaniques, les FOG ne comportent aucune pièce mobile, ce qui réduit les risques d'usure. De plus, leur résistance aux chocs et aux vibrations les rend idéaux pour les environnements exigeants tels que les applications aérospatiales et de défense.
Intégration des gyroscopes à fibre optique dans la navigation inertielle
Les systèmes de navigation inertielle intègrent de plus en plus de gyroscopes à fibre optique (FOG) en raison de leur haute précision et de leur fiabilité. Ces gyroscopes fournissent les mesures de vitesse angulaire essentielles à la détermination précise de l'orientation et de la position. L'intégration de FOG aux systèmes de navigation inertielle existants permet aux opérateurs d'améliorer la précision de la navigation, notamment dans les situations exigeant une précision extrême.
Applications des gyroscopes à fibre optique en navigation inertielle
L'intégration de gyroscopes à fibre optique (FOG) a étendu les applications des systèmes de navigation inertielle à de nombreux domaines. Dans l'aérospatiale et l'aviation, les systèmes équipés de FOG offrent des solutions de navigation précises pour les aéronefs, les drones et les engins spatiaux. Ils sont également largement utilisés en navigation maritime, en levés géologiques et en robotique avancée, permettant à ces systèmes de fonctionner avec des performances et une fiabilité accrues.
Différentes variantes structurelles des gyroscopes à fibre optique
Les gyroscopes à fibre optique se présentent sous diverses configurations structurelles, la plus répandue actuellement dans le domaine de l'ingénierie étant legyroscope à fibre optique à maintien de polarisation en boucle ferméeAu cœur de ce gyroscope se trouve leboucle de fibre à maintien de polarisationCe dispositif comprend des fibres à maintien de polarisation et une structure de conception précise. Sa construction repose sur une méthode d'enroulement à symétrie quadruple, complétée par un gel d'étanchéité unique pour former une bobine de fibre à l'état solide.
Caractéristiques principalesFibre optique à maintien de polarisation GBobine yro
▶Conception de cadre unique :Les boucles gyroscopiques présentent une conception de cadre distinctive qui permet d'accueillir facilement différents types de fibres à maintien de polarisation.
▶Technique d'enroulement à symétrie quadruple :La technique d'enroulement à symétrie quadruple minimise l'effet Shupe, garantissant des mesures précises et fiables.
▶Matériau de gel de scellement avancé :L'utilisation de matériaux de gel d'étanchéité avancés, combinée à une technique de durcissement unique, améliore la résistance aux vibrations, ce qui rend ces boucles gyroscopiques idéales pour les applications dans des environnements exigeants.
▶Stabilité de cohérence à haute température :Les boucles gyroscopiques présentent une grande stabilité de cohérence thermique, garantissant la précision même dans des conditions thermiques variables.
▶Cadre simplifié et léger :Les boucles gyroscopiques sont conçues avec une structure simple mais légère, garantissant une haute précision de traitement.
▶Processus d'enroulement uniforme :Le processus d'enroulement reste stable, s'adaptant aux exigences des différents gyroscopes à fibres optiques de précision.
Référence
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Chatila, R., & Laumond, JP (1985). Référencement de position et modélisation cohérente du monde pour les robots mobiles.Actes de la conférence internationale IEEE sur la robotique et l'automatisation de 1985(Vol. 2, pp. 138-145). IEEE.
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