treghetsnavigasjon

Et treghetsnavigasjonssystem er et navigasjonssystem som er uavhengig av ytre signaler. Det kan brukes for navigering i enhver omgivelse, altså på, over og under jorden samt under vann og i verdensrommet. Det baserer seg på lover som var forstått allerede på 1600-tallet, men det fikk ingen praktisk betydning før under den andre verdenskrig, da de ble brukt i V2-rakettene. Det kan gi rask informasjon om akselerasjon, hastighet, posisjon og orientering. Systemet kan ikke jammes og utstråler ingenting.

Grunnleggende prinsipper

Systemet har to hovedkomponenter: akselerometre og gyroer. Akselerometre brukes til å måle akselerasjoner, altså hastighetsendringer per tidsenhet i en bestemt retning. Gyroer brukes til å måle retningene til disse hastighetsendringene.

Ved å integrere akselerasjonen over tid beregnes hastighetsendringen i det aktuelle tidsrommet, så hvis hastigheten ved starttidspunktet er kjent, fås den nye hastigheten ved å addere resultatet av integrasjonen til starthastigheten. Hvis akselerasjonen er konstant over tidsintervallet, endres hastigheten med produktet av intervallets lengde og akselerasjonen. Ved å integrere hastigheten over tidsintervallet fås avstanden mellom startpunktet og den nye posisjonen som resultatet av denne andre integrasjonen. Navigasjonen bygger altså på to integrasjoner, og for å få et anvendelig resultat, må to konstanter være kjent, som i ethvert dobbeltintegral.

Såvel akselerasjon som hastighet og posisjonsendring er vektorer, altså størrelser som har både tallverdi og retning. Derfor må man kjenne retningen til den målte akselerasjonen for å kunne bestemme den nye posisjonen. Denne retningsbstemmelsen skjer ved hjelp av gyroer.

En gyro definerer en retning i rommet, og denne retningen er vanligvis ikke samme som akselerometrets måleretning, ofte kalt akse. Derfor må retningene omformes slik at alle måledata presenteres på en ønsket måte, for eksempel slik at posisjonsendringer vises i forhold til jordas overflate.

Måleprinsipper

Akselerometermålinger baseres på den av Newtons lover som sier at akselerasjonen til et legeme er proporsjonal mot den kraft som virker på legemet og omvendt proporsjonal mot legemets masse. Et akselerometer inneholder derfor en kjent masse som kan beveges tilnærmet friksjonsfritt langs en akse, måleretningen. En tilbakekoplingsmekanisme måler den kraft som må til for å holde dette legemet i ro, og denne kraften er da et mål på akselerasjonen.

Selv om en farkost står i ro i forhold til jordoverflata, vil ikke et akselerometer ombord alltid vise null. Dette kommer av tyngdekraften og av jordas egen bevegelse, framfor alt rotasjonen. Jordrotasjonen gir også opphav til den såkalte Coriolis-kraften som blant annet gjør at en farkost i bevegelse på den nordlige halvkule trekkes mot høyre, sett i fartsretningen. Alle disse påvirkningene må det korrigeres for når akselerasjon i forhold til jordoverflata skal måles.

Gyroer måler retninger eller retningsendringer. Også gyroers funksjon baserer seg på mekanikkens lover, lover som har vært kjent i hundrevis av år. I de første tiårene av praktisk bruk av treghetsnavigasjon ble mekaniske gyroer brukt. Prinsippet var en raskt roterende masse, der rotasjonsaksen ble kalt inngangsaksen. Uten ytre påvirkning vil rotasjonsaksens retning være stabil i det ytre rom, fiksstjernene er ofte brukt som referanse. Men når en farkost beveger seg på jordas overflate, skjer bevegelsen på et krumt legeme som selv beveger seg i et kretsløp rundt sola og dessuten roterer. For at en gyro skal vise en bevegelsesretning på jorda, må det innføres korreksjoner for jordas egen bevegelse.

Gyroer brukes ikke bare for navigasjon, de brukes også for å bestemme retninger i sin alminnelighet. Gyrokompasser er vanlige ombord i fartøyer.

En vanlig illustrasjon av jordrotasjonens innflytelse er den såkalte Foucaults pendel. Det er en frittsvingende pendel med lang akse opphengt i et kuleledd med veldig liten friksjon som tillater vridning av pendelens svingeplan. Hvis pendelen er opphengt i taket inne i et rom, så vil svingeplanet dreie langsomt i forhold til rommet i takt med jordrotasjonen.

Måleinstrumenter

Praktiske treghetssystemer ble i begynnelsen og fram til 1960- , 1970- og 1980-årene basert på såkalte stabilelementer. Dette var plattformer som kunne vri seg rundt tre akser og som ble holdt parallelle med jordoverflata ved hjelp av akselerometre og gyroer som var montert på plattformen. Med utviklingen av små, raske og kraftfulle datamaskiner ble det mulig å sløyfe stabilelementet og montere akselerometre og gyroer fast i farkosten, såkalt skrogfaste treghetssystemer.

Akselerometre er ofte utformet som pendler. Moderne akselerometre kan være meget små, også laget som en integrert kretskonstruksjon.

Utviklingen på gyroområdet har vært ennå mer omfattende enn for akselerometre. Prinsippet med roterende masser er stort sett forlatt, og gyroer som måler rotasjon direkte har overtatt. Bruk av laserlys er vanlig, blant annet fordi laserbaserte gyroer kan lages små og kompakte og er uavhengig av friksjonsfri opphenging som var et problem for mekaniske gyroer. I laserbaserte gyroer deles lyset opp og sendes i motsatte retninger i en lukket sløyfe. Deretter måles faseforskjellen mellom lyset som har gått i den ene rotasjonsretningen og lyset som har gått i motsatt retning. Faseforskjellen er proporsjonal mot rotasjonshastigheten rundt en akse i sentrum av sløyfa vinkelrett på sløyfeplanet. Den målte rotasjonshastigheten multiplisert med tidsintervallets lengde er et mål for retningsendringen i løpet av intervallet.

To forskjellige konfigurasjoner er i bruk, ringlasergyro og fiberoptisk gyro. I den førstnevnte benyttes speil for å sende lyset rundt i en lukket sløyfe, i den sistnevnte benyttes optiske fibre som ledere for lyset. I en ringlasergyro går lyset kun en gang rundt sløyfa, mens en fiberoptisk gyro oftest inneholder en fiberkveil som gjør at lyset går mange ganger rundt før faseforskjellen måles. Den fiberoptiske gyroen kan på den måten lages veldig følsom hvis lyset sendes mange ganger rundt.

Det finnes også gyroer som benytter Coriolis-akselerasjonen for å måle rotasjonshastighet.

Nøyaktigheter og feil

Nøyaktigheten ved treghetsnavigasjon er blitt veldig mye bedre siden starten på 1940-tallet. Samtidig er kostnadene for utstyret kraftig redusert. Men som alltid er det en sammenheng mellom pris og ytelser.

Treghetsutstyr brukes ofte som komplement til satellittbaserte systemer for navigasjon. Grunnen er at treghetssystemene ikke kan forstyrres utenfra, de virker også der satellittsystemer ikke virker, eksempelvis i tunneler, og de kan oppdatere måledata meget raskt.

Treghetssystemenes nøyaktighet kan påvirkes av mange faktorer, men en feilkilde vil alltid være tilstede på grunn av måleprinsippet. Dette gjelder det faktum at feilen vokser med tiden. Årsaken er at måledata må integreres to ganger for å få posisjonsendringer. En målefeil vil derfor vokse som funksjon av tid. Denne feilen kalles vanligvis drift. Den kan korrigeres hvis systemet tilføres så korrekt posisjon som mulig med jevne mellomrom ved bruk av andre hjelpemidler, eksempelvis satellittsystemer.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer (2)

skrev Lars Mæhlum

Ser at IMU - Inertial Measurement Unit - brukes om selve gyro-/akselerometerenheten, også på norsk. Men IMU gir ikke treff i leksikonet. Bør det komme inn her på en eller annen måte?

svarte Børje Forssell

Jeg skal skrive om hele artikkelen og da også ta hensyn til denne kommentaren.

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg