Entdecken Sie unsere Lösungen mit rauscharmen Gyroskopen:
Gyroskop
Ein Gyroskop ist ein Sensor, der die Rotationsrate in Bezug auf ein Inertialsystem misst. Folglich erfasst es bei einer Drehung alle damit verbundenen Änderungen der Ausrichtung. Da sich darüber hinaus das Erdkoordinatensystem selbst dreht, erkennt ein auf dem Boden liegendes Gyroskop auch die Erdrotationsrate – etwa 15° pro Stunde. Gyroskope geben ihre Messwerte in der Regel in Grad pro Sekunde (°/s) oder Bogenmaß pro Sekunde (rad/s) aus.
Wie funktioniert das?
In praktischen Anwendungen integrieren Systeme Rotationsraten mit hoher Frequenz, um die Sensororientierung mit hoher Präzision zu bestimmen. Daher bildet dieses Prinzip die Grundlage aller Inertialsensoren, einschließlich Vertikalgyroskope, 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-Systemen. Zudem messen die leistungsstärksten Gyroskope—üblicherweise Closed-Loop-Faserkreisel (FOG)—direkt die Erdrotation, ohne eine Bias-Schätzung zu benötigen. Infolgedessen können diese Sensoren den Steuerkurs bestimmen, ohne auf eine externe Referenz angewiesen zu sein, eine Funktionalität, die als Gyrokompassierung bekannt ist. Es gibt jedoch auch alternative Techniken zur Steuerkursbestimmung, was dazu beiträgt, strenge Einschränkungen dieser Technologie zu reduzieren.
Der Coriolis- und der Sagnac-Effekt in Gyroskopen
Was ihr Funktionsprinzip betrifft, nutzen Gyroskope von SBG Systems zwei physikalische Kerneffekte zur Drehmessung: den Coriolis-Effekt und den Sagnac-Effekt. Konkret wird der Coriolis-Effekt von MEMS-Gyroskopen genutzt. Wenn eine Testmasse in X-Richtung vibriert, erzeugt eine Rotation um die senkrechte Z-Achse eine Kraft, die eine Bewegung entlang der Y-Achse bewirkt.
Dementsprechend setzen verschiedene MEMS-Architekturen dieses Prinzip um, typischerweise unter Verwendung von Schwingbalken oder -ringen. Die tatsächliche Leistung dieser Gyroskope variiert dabei je nach Faktoren wie Größe und Qualität der MEMS-Elemente, Sensor-Gehäuse sowie mechanischen und Signalverarbeitungstechniken.
Optische Gyroskope wie FOGs nutzen den Sagnac-Effekt zur Messung der Drehung. Bei dieser Methode durchlaufen zwei Lichtquellen entgegengesetzte Richtungen – eine im Uhrzeigersinn und die andere entgegen dem Uhrzeigersinn. Bei fehlender Rotation treffen die Lichtwellen gleichzeitig ein; während der Rotation verlängert sich jedoch ein Weg, während sich der andere verkürzt. Folglich erzeugt dies Interferenz, die gemessen werden kann, um die Winkelgeschwindigkeit abzuleiten.
Anwendungen von Gyroskopen in der Trägernavigation
Zusammen ermöglichen diese Prinzipien es Gyroskopen, präzise und zuverlässige Bewegungsdaten für eine Vielzahl von Anwendungen zu liefern.
Luftfahrt
In der Luftfahrt sind diese für die Navigation und Stabilität von Flugzeugen von entscheidender Bedeutung. Sie kommen in folgenden Systemen zum Einsatz:
- Fluglageanzeiger: Diese Instrumente zeigen die Ausrichtung des Flugzeugs relativ zum Horizont an und helfen den Piloten dabei, die richtigen Nick- und Rollwinkel beizubehalten.
- Autopilotsysteme: Gyroskope liefern Rückmeldungen an Autopilotsysteme und ermöglichen so die automatische Steuerung des Flugrichtungswinkels, der Flughöhe und des Kurses des Flugzeugs.
- Inertial Navigation Systems (INS): INS nutzen Gyroskope zur Erfassung von Bewegung und Ausrichtung des Luftfahrzeugs und liefern präzise Positionierungsdaten selbst dann, wenn keine GPS-Signale verfügbar sind.
Seeschifffahrt
In der Seefahrt tragen Gyroskope dazu bei, die Stabilität und den Kurs von Schiffen und U-Booten aufrechtzuerhalten:
- Kreiselkompasse: Kreiselkompasse liefern präzise Richtungsangaben, unabhängig vom Erdmagnetfeld, und helfen Navigatoren dabei, einen konstanten Kurs zu halten.
- Stabilisierungssysteme nutzen diese Sensoren, um die Seiten- und Längsschwingungen zu reduzieren, den Fahrkomfort zu erhöhen und die Sicherheit zu gewährleisten.
Raum
Bei Raumfahrzeugen und Satelliten sind Gyroskope für die Orientierung und Steuerung unverzichtbar:
- Lageregelungssysteme: Gyroskope tragen zur Steuerung der Ausrichtung von Raumfahrzeugen bei, indem sie präzise Messungen der Drehbewegungen liefern, die für Aufgaben wie Andocken, Positionierung und Manövrieren von entscheidender Bedeutung sind.
- Inertiale Messeinheiten (IMUs): IMUs, die Gyroskope beinhalten, ermöglichen Navigation und Stabilisierung für eine präzise Positionierung und Steuerung im Raum.
