Ein Gyroskop ist ein Sensor, der die Drehgeschwindigkeit in Bezug auf ein Inertialsystem misst. Folglich erfasst es alle nachfolgenden Änderungen der Orientierung bei Drehung. Da sich das Erdkoordinatensystem selbst dreht, erfasst ein auf dem Boden liegendes Gyroskop auch die Erdrotationsrate – ungefähr 15° pro Stunde. Gyroskope geben die Ausgabe typischerweise in Grad pro Sekunde (°/s) oder Radiant pro Sekunde (rad/s) an.
Wie funktioniert es?
In der Praxis integrieren Systeme die Drehraten mit hoher Frequenz, um die Sensororientierung mit großer Präzision zu bestimmen. Daher bildet dieses Prinzip die Grundlage aller Inertialsensoren, einschließlich Vertikalkreisel, Attitude and Heading Reference Systems (AHRS), Motion Reference Units (MRU) und Inertial Navigation Systems (INS).
Darüber hinaus spielen diese eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung von Position und Geschwindigkeit innerhalb von INS-Frameworks. Darüber hinaus messen die leistungsstärksten Gyroskope – in der Regel Closed-Loop-Faseroptikgyroskope (FOG) – die Erdrotation direkt, ohne dass eine Bias-Schätzung erforderlich ist. Infolgedessen können diese Sensoren die Richtung bestimmen, ohne auf eine externe Referenz angewiesen zu sein, eine Funktionalität, die als Gyrocompassing bekannt ist. Es gibt jedoch auch alternative Techniken zur Bestimmung der Richtung, die dazu beitragen, die strengen Einschränkungen dieser Technologie zu reduzieren.
Der Coriolis- und Sagnac-Effekt in Gyroskopen
In Bezug auf ihr Funktionsprinzip nutzen die Gyroskope von SBG Systems zwei physikalische Kerneffekte zur Messung der Drehung: den Coriolis-Effekt und den Sagnac-Effekt. Insbesondere wird der Coriolis-Effekt von MEMS-Gyroskopen genutzt. Wenn eine Proof-Masse in X-Richtung schwingt, erzeugt eine Drehung um die senkrechte Z-Achse eine Kraft, die eine Bewegung entlang der Y-Achse verursacht.
Dementsprechend implementieren mehrere MEMS-Architekturen dieses Prinzip, typischerweise unter Verwendung von vibrierenden Balken oder Ringen. Insbesondere variiert die tatsächliche Leistung dieser Gyroskope in Abhängigkeit von Faktoren wie der Größe und Qualität der MEMS-Elemente, der Sensorverpackung sowie den mechanischen und Signalverarbeitungstechniken.
Optische Gyroskope, wie z. B. FOGs, nutzen den Sagnac-Effekt, um die Drehung zu messen. Bei dieser Methode laufen zwei Lichtquellen in entgegengesetzte Richtungen – eine im Uhrzeigersinn und die andere gegen den Uhrzeigersinn. Wenn keine Drehung vorhanden ist, treffen die Lichtwellen gleichzeitig ein; während der Drehung verlängert sich jedoch ein Pfad, während sich der andere verkürzt. Folglich erzeugt dies eine Interferenz, die gemessen werden kann, um die Winkelgeschwindigkeit abzuleiten.
Anwendungen von Gyroskopen in der Trägheitsnavigation
Zusammengenommen ermöglichen diese Prinzipien, dass Gyroskope präzise und zuverlässige Bewegungsdaten für eine Vielzahl von Anwendungen liefern.
Luftfahrt
In der Luftfahrt sind diese für die Navigation und Stabilität von Flugzeugen von entscheidender Bedeutung. Sie werden in den folgenden Systemen eingesetzt:
- Lageanzeiger: Diese Instrumente zeigen die Ausrichtung des Flugzeugs relativ zum Horizont an und helfen den Piloten, die korrekten Nick- und Rollwinkel beizubehalten.
- Autopilot-Systeme: Gyroskope liefern Feedback an Autopilot-Systeme und ermöglichen so die automatische Steuerung von Kurs, Höhe und Flugbahn des Flugzeugs.
- Inertial Navigation Systems (INS): INS verlassen sich auf Gyroskope, um die Bewegung und Ausrichtung des Flugzeugs zu verfolgen und genaue Positionsinformationen bereitzustellen, selbst wenn keine GPS-Signale verfügbar sind.
Maritime Navigation
In der maritimen Navigation unterstützen Gyroskope die Aufrechterhaltung der Stabilität und des Kurses von Schiffen und U-Booten:
- Kreiselkompasse: Kreiselkompasse liefern genaue Richtungsinformationen, unabhängig vom Erdmagnetfeld, und helfen den Navigatoren, einen stabilen Kurs zu halten.
- Stabilisierungssysteme verwenden diese Sensoren, um Roll- und Stampfbewegungen zu reduzieren, den Passagierkomfort zu erhöhen und die Sicherheit zu gewährleisten.
Raumfahrt
Für Raumfahrzeuge und Satelliten sind Gyroskope für die Orientierung und Steuerung unerlässlich:
- Lagekontrollsysteme: Gyroskope helfen bei der Steuerung der Ausrichtung von Raumfahrzeugen, indem sie präzise Messungen von Drehbewegungen liefern, die für Aufgaben wie Andocken, Positionierung und Manövrieren entscheidend sind.
- Inertial Measurement Units (IMUs): IMUs, die Gyroskope enthalten, bieten Navigation und Stabilisierung, um eine genaue Positionierung und Steuerung im Weltraum zu gewährleisten.