Traagheidsnavigatie

Traagheidsmeter van een S3-raket.

Traagheidsnavigatieis een methode vanplaatsbepalingdie gebaseerd is op het meten van de bewegingen van een object. Een groot voordeel is dat het niet afhankelijk is van externe factoren. Het eerste traagheidsnavigatiesysteem werd toegepast in dejaren vijftigop deUSS Nautilus SSN571,de eerstenucleaireonderzeeboot.Traagheidsnavigatie wordt toegepast inraketten,vliegtuigen,schepenen bijroutenavigatiesystemen.

Werking

Als desnelheidvan een voertuig bekend is, kan de afstand berekend worden aan de hand van de tijdsduur. De snelheid verandert echter continu. Dit kan ondervangen worden door de versnellingen die optreden te meten. Er zijn zesvrijheidsgraden:

drierotaties:

• Slingeren(roll) (rotatie rond de langsscheepse as)
• Stampen(pitch) (rotatie rond de dwarsscheepse as)
• Gieren(yaw) (rotatie rond de verticale as)

drielineairebewegingen:

• Schrikken(surge) (langsscheepse beweging)
• Verzetten(sway) (dwarsscheepse beweging)
• Dompen(heave) (op- en neergaande beweging)

Doordat elk instrument een foutmarge heeft, zal gedurende het verstrijken van de tijd de onnauwkeurigheid van een traagheidsnavigatiesysteem toenemen. Door het te combineren met andere plaatsbepalingssystemen kan deze fout gereduceerd worden.

Cardanisch opgehangen gyro-gestabiliseerde platformen

Bij een aantal systemen worden lineaireversnellingsmetersop eencardanisch opgehangengyro-gestabiliseerd platform geplaatst. Het nadeel hiervan is dat er gebruik wordt gemaakt van kostbare mechanische precisieonderdelen. Meestal worden meerderegyroscopenin een rechte hoek ten opzichte van elkaar geplaatst. Door deprecessievan deze gyroscopen zal het platform stabiel blijven ten opzichte van draaiingen van het voertuig. De lineaire versnellingen kunnen eenvoudig opgeteld worden, aangezien het gestabiliseerde platform niet roteert. De rotaties kunnen eventueel gemeten worden aan de assen van de cardanische ophanging.

Het primaire navigatiesysteem van de raketten van hetApolloprogrammamaakte gebruik van een 3-assen gyro-gestabiliseerd platform voor deApollo Guidance Computer.Een groot gevaar hiervan is het optreden vangimbal lock,waarbij oplijning van twee of meer ringen ervoor zorgt dat er minder vrijheidsgraden van beweging beschikbaar zijn. Manoeuvres moesten voorzichtig uitgevoerd worden om gimbal lock te voorkomen.

Gyro-gestabiliseerde platformen met hydrostatische lagers

Door het platform op te hangen in hydrostatische - of vloeistof - lagers, kan het probleem vangimbal lockondervangen worden. Met relatief simpele computers kan een systeem met hoge precisie gemaakt worden.

Vast bevestigde systemen

Doordat computers steeds kleiner en sneller werden, verviel de noodzaak om platformen cardanisch op te hangen. Door de rotaties te meten, kunnen de lineaire bewegingen gecorrigeerd worden voor richtingsveranderingen. Dit vereist duizenden updates per seconde, wat voor moderne computers geen enkel probleem is. De rotaties worden vaak gemeten met behulp vanringlasergyrokompassen.Met behulp van eenKalman-filterworden uitschieters uitgedempt.

Voetnoten