Современные основные технические подходы к инерциальным навигационным системам делятся на две категории: инерциальная навигация на основе MEMS (с использованием микроэлектромеханических систем) и волоконно-оптическая инерциальная навигация (на основе принципов оптической интерференции). Эти две технологии принципиально различаются по своим физическим принципам, показателям производительности, структуре затрат и сценариям применения. В данной статье представлено всестороннее многомерное сравнение этих технологий, призванное помочь инженерам в принятии обоснованных решений в процессе выбора.
I. Фундаментальные различия в принципах работы
Инерциальные навигационные системы на основе MEMS используют технологию микрообработки кремния для изготовления подвижных микромасс на чипе; при движении носителя инерционные силы вызывают смещение этих масс, генерируя электрические сигналы за счет изменения емкости — это полностью твердотельная конструкция без вращающихся частей. Волоконно-оптические инерциальные навигационные системы основаны на эффекте Сагнака, при котором лазерный луч разделяется на два луча, распространяющихся в противоположных направлениях внутри волоконно-оптической катушки; вращение носителя создает разность оптических путей между лучами, а угловая скорость вычисляется путем интерференционного детектирования. Чувствительность увеличивается с длиной волоконной катушки.
Эти принципиальные различия определяют присущие каждой технологии характеристики: системы MEMS функционируют как твердотельные датчики массы — нечувствительные к вибрации, но ограниченные точностью изготовления, — тогда как волоконно-оптические системы действуют как оптические интерферометры, способные к высокой точности, но существенно зависящие от длины волокна и температуры.
II. Сравнение основных параметров производительности
Стабильность смещения является основным показателем точности инерциальной навигации. Типичные значения для инерциальных навигационных систем на основе MEMS варьируются от 0,5°/ч до 10°/ч; в то время как высококачественные тактические устройства могут достигать 0,05°/ч до 0,1°/ч, они приближаются к пределу точности этой технологии. В отличие от них, волоконно-оптические инерциальные навигационные системы обычно демонстрируют стабильность смещения в диапазоне от 0,01°/ч до 0,1°/ч, при этом высококачественные устройства достигают 0,001°/ч (уровень угловой секунды). Волоконно-оптические системы демонстрируют явное преимущество в сценариях, требующих чисто инерциальной навигации в течение периодов времени от нескольких минут до десятков минут.
Случайное угловое блуждание отражает влияние белого шума на интеграцию ориентации. Типичные значения для инерциальных навигационных систем на основе MEMS варьируются от 0,1°/√ч до 0,5°/√ч, тогда как волоконно-оптические системы могут достигать значений от 0,001°/√ч до 0,01°/√ч. Это означает, что во время кратковременных динамических маневров выходные данные по ориентации от волоконно-оптических инерциальных навигационных систем более плавные и демонстрируют меньшую нестабильность.
Нелинейность масштабного коэффициента: для инерциальных навигационных систем на основе MEMS она обычно составляет от 0,1% до 1%, тогда как в волоконно-оптических системах она может достигать от 0,001% до 0,01%. Это преимущество в нелинейности имеет решающее значение для выполнения высокодинамичных маневров (например, таких, которые осуществляются ракетами или истребителями).
Ошибка смещения при изменении температуры: кремниевые материалы MEMS обладают высокими температурными коэффициентами; без компенсации тепловой дрейф инерциальных систем MEMS может достигать десятков или даже более ста °/ч/°C. В современных высококачественных продуктах MEMS используется интегрированная температурная компенсация и полиномиальная аппроксимация для уменьшения теплового дрейфа до 1 °/ч/°C. Волоконно-оптические системы также чувствительны к температуре, но температурный коэффициент самой волоконной катушки может быть частично компенсирован с помощью симметричных методов намотки; в сочетании с точным контролем температуры ошибка смещения температуры может быть сведена к минимуму (менее 0,01 °/ч/°C).
Ошибка выпрямления вибрации: инерциальные системы MEMS подвержены дрейфу постоянного тока при высокочастотной и интенсивной вибрации — это неотъемлемый недостаток. Волоконно-оптические системы, не имеющие подвижных инерционных масс, демонстрируют превосходную виброустойчивость, сохраняя точность гораздо лучше, чем системы MEMS в условиях вибрации.
Время запуска и характеристики отклика: инерциальные системы MEMS выдают данные сразу после включения питания, время запуска составляет миллисекунды. Волоконно-оптические системы требуют периода прогрева и стабилизации (обычно от десятков секунд до нескольких минут), поскольку источник света и волоконная катушка должны достичь теплового равновесия; в противном случае возникает значительный дрейф нулевой точки.
III. Структура затрат и ценовой диапазон
Инерциальные системы MEMS выигрывают от использования крупномасштабных процессов производства полупроводников, что приводит к очень низким себестоимостям. Цены варьируются от 3 до 15 долларов за потребительские чипы MEMS IMU, от 100 до 500 долларов за модули промышленного класса (с температурной компенсацией и калибровкой) и приблизительно от 1000 до 3000 долларов за тактические инерциальные системы MEMS (включая алгоритмы).
Стоимость волоконно-оптических инерциальных систем в основном определяется волоконной катушкой, процессами точной намотки, источником света (SLD) и фотодетектором. Волоконные катушки требуют высокоточной намотки, что влечет за собой высокие затраты на рабочую силу и оборудование, и, в отличие от микросхем, не могут воспользоваться теми же преимуществами масштаба производства для снижения цен. Низкоточные волоконно-оптические гироскопические модули (FOG) (стабильность смещения в диапазоне 1°/ч) стоят приблизительно 2000–5000 долларов; среднеточные (диапазон 0,1°/ч) — около 8000–20000 долларов; а высокоточные (диапазон 0,01°/ч или лучше) могут стоить более 50000–100000 долларов.
Что касается структуры затрат, устройства MEMS имеют чрезвычайно низкие предельные издержки, что делает их пригодными для массового внедрения; напротив, волоконно-оптические инерциальные навигационные системы (ИНС) имеют высокие удельные издержки, хотя их предельные характеристики значительно превосходят характеристики MEMS.
IV. Размеры, вес и энергопотребление
Высокоточные промышленные MEMS-системы инерциальной навигационной системы (ИНС) обычно имеют миниатюрную модульную конструкцию, часто размером всего 30–60 мм с каждой стороны. Их компактная структура — без избыточных оптических компонентов — позволяет напрямую интегрировать их в платформы ветротурбин или небольшое оборудование с минимальными габаритами. В отличие от них, волоконно-оптические ИНС включают в себя волоконные катушки, лазерные источники, схемы оптической демодуляции и структуры терморегулирования; следовательно, они обычно имеют размеры 100–200 мм, занимают в 5–10 раз больший объем, чем MEMS-системы, требуют значительного места для установки и не подходят для интеграции в компактное оборудование.
В инерциальных навигационных системах MEMS используется кремниевая технология MEMS, благодаря чему их общий вес обычно составляет от 20 до 80 г. Этот сверхмалый вес не создает дополнительной нагрузки на морские плавучие платформы или легкие монтажные конструкции, что делает их идеальными для легких установок и монтажа без механических напряжений. Однако волоконно-оптические инерциальные навигационные системы имеют сложные оптические структуры, тяжелые металлические корпуса и теплоизоляционные компоненты, что приводит к их общему весу от 500 до 2000 г. Этот значительный вес ограничивает их использование тяжелыми стационарными платформами и делает их непригодными для сценариев мониторинга, требующих легких конструкций или жестких ограничений по нагрузке. Инерциальные навигационные системы MEMS управляются микросхемами и работают с чрезвычайно низким энергопотреблением — обычно всего от 0,3 до 2 Вт в стационарном режиме. Они поддерживают длительную работу от батареи и непрерывный (круглосуточный) мониторинг с низким энергопотреблением, что делает их идеальными для легкого оборудования, развертываемого в удаленных полевых условиях или в открытом океане, где отсутствует постоянное электроснабжение. В отличие от них, волоконно-оптические инерциальные навигационные системы требуют непрерывного питания для лазерного источника, модуля демодуляции оптического сигнала и модуля контроля температуры. Их базовая рабочая мощность обычно составляет от 10 до 30 Вт — в десятки раз больше, чем у систем MEMS — и они требуют вспомогательных теплоотводящих конструкций, что ограничивает их использование стационарными инженерными платформами со стабильным сетевым питанием и достаточной мощностью.
V. Экологическая адаптивность и надежность
Инерциальные навигационные системы на основе MEMS — это полностью твердотельные устройства без движущихся частей, обладающие высокой теоретической надежностью. Однако в условиях сильных ударов (>10 000 g) и интенсивной вибрации кремниевая инерционная масса может заклинить или разрушиться. MEMS-устройства военного класса, имеющие специальную упаковку, выдерживают удары до 20 000 g. Стандартный диапазон рабочих температур составляет от -40 °C до 85 °C, который может быть расширен до -55 °C до 125 °C путем экранирования.
Волоконно-оптические инерциальные навигационные системы также не имеют движущихся частей; поскольку волоконно-оптическая катушка по сути изготовлена из стекловолокна, она обладает превосходной устойчивостью к ударам и вибрации по сравнению с MEMS-системами. Однако катушка чувствительна к изгибам и нагрузкам, а неправильная компоновка может привести к увеличению оптических потерь. Волоконно-оптические системы обеспечивают более высокий потенциал адаптации к окружающей среде, что делает их пригодными для экстремальных условий, таких как давление в глубоководных подводных лодках, постоянное движение судов и запуск в условиях высоких перегрузок.
Краткий обзор всестороннего сравнения
Инерциальные навигационные системы на основе MEMS-технологии превосходят другие по размерам, весу, энергопотреблению, стоимости и скорости запуска, но уступают по максимально достижимой точности и устойчивости к дрейфу, вызванному вибрацией. Волоконно-оптические системы отличаются сверхвысокой точностью, долговременной стабильностью и устойчивостью к воздействию окружающей среды, но менее конкурентоспособны по размерам, энергопотреблению, стоимости и времени запуска. Нет «правильного» или «неправильного» выбора — есть только вопрос пригодности: сначала определить требования к точности, затем учесть ограничения окружающей среды и, наконец, оценить экономические факторы.
оставить сообщение
Отсканируйте QR-код для отправки в WeChat :
