Wenn GPS schwach oder nicht verfügbar ist, ist die Navigation auf Gyroskope angewiesen. Doch hier liegt das Problem: Wählt man ein zu einfaches System, nehmen die Fehler schnell zu; wählt man ein zu komplexes, steigen die Kosten rapide an. Faseroptische Gyroskope (FOGs) lösen dieses Dilemma. Sie sind in zwei Ausführungen erhältlich – als Open-Loop- und als Closed-Loop-Gyroskope – und eignen sich jeweils für unterschiedliche Einsatzanforderungen.
Offene FOGs sind kompakt und kostengünstig und bieten mittlere Genauigkeit (1–10 °/h) für UAVs und Roboter. Geschlossene FOGs hingegen liefern ultrahohe Präzision (0,001–0,1 °/h) und sind daher unverzichtbar für U-Boote, Raketen und Luft- und Raumfahrtsysteme.
Jede Technologie hat ihre eigenen Stärken, Nachteile und typischen Anwendungsfälle – von unbemannten Luftfahrzeugen und Industrierobotern bis hin zu U-Booten und Raumfahrzeugen. Das Verständnis dieser Unterschiede erleichtert die Auswahl der passenden Technologie für die jeweilige Mission.
Inhaltsverzeichnis
Wie funktionieren faseroptische Gyroskope?
Stellen Sie sich zwei Läufer Laufbahn in entgegengesetzte Richtungen laufen . Wenn sich die Laufbahn selbst zu drehen beginnt, benötigt der eine Läufer etwas länger, während der andere schneller ist. Dieser Unterschied zeigt die Rotation .
Ein faseroptisches Gyroskop (FOG) funktioniert nach demselben Prinzip – nur mit Lichtstrahlen anstelle von Läufern. Das Licht breitet sich in einer Glasfaserspule kleinste Bewegungen erfassen .
Da es mit Licht und keine beweglichen Teile , ist ein FOG äußerst zuverlässig, langlebig und wartungsfrei – was es ideal für Drohnen, U-Boote und Luft- und Raumfahrtsysteme .
Was ist ein Open-Loop-Faseroptik-Gyroskop (O-FOG)?
Ein FOG im offenen Regelkreis misst die Lichtintensitätsdifferenz direkt aus dem Interferenzmuster. Die Konstruktion ist einfach und kostengünstig , jedoch ist das Ansprechverhalten leicht nichtlinear , was die Präzision bei höheren Rotationsgeschwindigkeiten einschränkt.
In der Praxis erreicht ein O-FOG typischerweise eine Bias-Stabilität von 1–10 °/h . Damit ist er genau genug für Drohnen, Roboter, Bodenfahrzeuge und industrielle Systeme , bei denen die Missionen kurz sind und Kosten- und Energieeffizienz wichtiger sind als höchste Präzision.
Vorteile von O-FOG:
- Geringere Kosten im Vergleich zu geschlossenen Regelkreisen
- Kleinere Abmessungen und einfachere Elektronik
- Geringerer Stromverbrauch , ideal für UAVs und tragbare Systeme
- Ausreichende Genauigkeit für taktische oder industrielle Anwendungen
Was ist ein geschlossenes faseroptisches Gyroskop (C-FOG)?
Ein geschlossener FOG-Regelkreis nutzt eine fortschrittliche Technik: Anstatt die Lichtintensität direkt zu messen, wird ein Rückkopplungssignal , um das Interferometer im optimalen Empfindlichkeitsbereich zu halten. Dieses Verfahren linearisiert das Ausgangssignal , sehr hohe Rotationsgeschwindigkeiten verzerrungsfrei zu verarbeiten
In der Praxis kann ein C-FOG eine Bias-Stabilität von nur 0,001–0,1 °/h und ist damit die erste Wahl für U-Boote, Raketen, Kampfflugzeuge und Raumfahrzeuge , wo selbst der kleinste Fehler zum Scheitern der Mission führen könnte.
Vorteile von C-FOG:
- Höchste Genauigkeit, geeignet für Navigations- und strategische Missionen.
- Großer Dynamikbereich , stabil bei niedrigen und hohen Winkelgeschwindigkeiten
- Hervorragende Temperaturstabilität , zuverlässiges Funktionieren auch unter extremen Bedingungen
- Im Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrt- sowie im Geodäsiebereich wird es für die Langzeitnavigation bei GNSS-Ausfall eingesetzt.
Welche ist genauer?
Open-Loop FOG (O-FOG):
Systeme mit offenem Regelkreis bieten eine mittlere Genauigkeit , üblicherweise mit einer Stabilität der Abweichung von 1–10 °/h . Dieser Wert ist für Drohnen, Roboter und Bodenfahrzeuge akzeptabel, insbesondere wenn sie häufige GNSS-Aktualisierungen erhalten können. Über längere Zeiträume ohne Korrektur akkumuliert sich die Abweichung jedoch schnell, was ihren Einsatz bei hochpräzisen Missionen einschränkt.
Closed-Loop FOG (C-FOG):
Geschlossene Regelsysteme erreichen Navigationsgenauigkeit mit einer Abweichungsstabilität von nur 0,001–0,1 °/h . Dank ihrer Rückkopplungsmechanik bleiben sie über die Zeit linear und stabil. Dies ermöglicht es U-Booten, Raketen und Raumfahrzeugen, tagelang oder sogar wochenlang ohne GNSS-Signale zu navigieren, wo selbst kleinste Fehler inakzeptabel wären.
| Besonderheit | Open-Loop FOG (O-FOG) | Geschlossener Nebelregelkreis (C-FOG) |
|---|---|---|
| Bias-Stabilität | 1–10 °/h | 0,001–0,1 °/h |
| Fehlerwachstum | Innerhalb weniger Stunden spürbar | Vernachlässigbar in Tagen/Wochen |
Welches Gerät kommt mit extremen Bewegungen besser zurecht?
Open-Loop FOG (O-FOG):
Open-Loop-Gyroskope stoßen bei schnellen Rotationen der Plattform an ihre Grenzen. Da ihre Ausgangskennlinie nichtlinear ist, können sie bei hohen Winkelgeschwindigkeiten in die Sättigung geraten , was einen starken Genauigkeitsabfall zur Folge hat. Daher eignen sie sich weniger für schnelle Flugzeuge, Raketen oder Fahrzeuge mit hoher Dynamik.
Closed-Loop FOG (C-FOG):
Geschlossene Regelkreise nutzen Rückkopplung, um das Interferometer an seinem empfindlichsten Punkt zu halten. Dadurch gewährleisten sie ein lineares Verhalten über einen sehr weiten Dynamikbereich – von extrem langsamen Rotationen bis hin zu schnellen Manövern. Diese Eigenschaft macht sie zum Standard für Raketen, Kampfflugzeuge und Raumfahrzeuge , wo extreme Bewegungen häufig vorkommen.
| Besonderheit | O-FOG | C-FOG |
|---|---|---|
| Dynamikbereich | Begrenzt, sättigt sich bei hoher Geschwindigkeit | Sehr breit, bleibt linear |
| Hochgeschwindigkeitsbewegung | Die Genauigkeit sinkt | Stabile Leistung |
Welches ist in rauen Umgebungen zuverlässiger?
Open-Loop FOG (O-FOG):
Gyroskope mit offenem Regelkreis funktionieren unter stabilen Bedingungen gut, reagieren aber empfindlicher auf Temperaturschwankungen und Vibrationen . In der Hitze der Wüste oder der Kälte der Arktis können ihre Messwerte abweichen, sofern keine zusätzlichen Kompensationsalgorithmen eingesetzt werden. Dies macht sie für Langzeitmissionen in unvorhersehbaren Umgebungen weniger zuverlässig.
Closed-Loop FOG (C-FOG):
Geschlossene Gyroskope sind für extreme Umgebungsbedingungen . Ihre Rückkopplungsmechanik minimiert den Einfluss von Temperaturschwankungen, und die meisten C-FOGs sind nach MIL-STD-Standard (-40 °C bis +85 °C) . Ob auf einem U-Boot, in einem Kampfjet oder im Weltraum – sie liefern stets zuverlässige Ergebnisse ohne aufwendige Softwarekorrekturen.
| Besonderheit | O-FOG | C-FOG |
|---|---|---|
| Temperaturstabilität | Neigt zum Driften | Stabil von −40 °C bis +85 °C |
| Vibrationsfestigkeit | Mäßig | Hochwertig, Verteidigungsqualität |
Wie sieht es mit Größe, Leistung und Kosten aus?
Open-Loop FOG (O-FOG):
Eine der größten Stärken von Open-Loop-Gyroskopen ist ihre kompakte Bauweise und Effizienz . Dank einfacherer Elektronik sind sie kleiner, leichter und verbrauchen weniger Strom – manchmal nur wenige Watt pro Achse. Das macht sie ideal für UAVs, mobile Roboter und andere tragbare Plattformen, bei denen jedes Gramm und jedes Watt zählt. Ihr niedriger Preis macht sie zudem attraktiv für kommerzielle Projekte und kostensensible Verteidigungsprogramme.
Closed-Loop FOG (C-FOG):
Geschlossene Kreisel sind aufgrund ihrer komplexen Rückkopplungselektronik und hochpräzisen Bauteile größer, verbrauchen mehr Energie und sind teurer 5–10 W pro Achse und kostet ein Vielfaches eines O-FOG. Dafür erhalten Käufer jedoch unübertroffene Genauigkeit und Zuverlässigkeit , was die Investition in U-Booten, Flugzeugen und Raumfahrtsystemen, wo Missionsausfälle inakzeptabel sind, oft rechtfertigt.
| Besonderheit | O-FOG | C-FOG |
|---|---|---|
| Größe und Gewicht | Kleiner, leichter | Größer, komplexer |
| Stromverbrauch | Niedrig (wenige Watt) | Höher (5–10 W/Achse) |
| Kosten | Erschwinglich | Um ein Vielfaches höher |
Wo werden O-FOGs und C-FOGs eingesetzt?
Open-Loop FOG (O-FOG):
Open-Loop-Gyroskope werden gewählt, wenn Kosten, Größe und Energieeffizienz wichtiger sind als höchste Präzision.
- Unbemannte Luftfahrzeuge und Drohnen – sorgen für eine stabile Ausrichtung zur Flugsteuerung, ohne dass eine schwere Nutzlast hinzukommt.
- Mobile Roboter und fahrerlose Transportsysteme – präzise genug für die Navigation in Innenräumen oder die Automatisierung von Lagerhallen.
- Industriesysteme – eingesetzt in Vermessungsgeräten, Pipelineinspektionen oder Fahrzeugen, die mit GNSS-Aktualisierungen korrigiert werden können.
Closed-Loop FOG (C-FOG):
Geschlossene Kreiselkompasssysteme dominieren bei Missionen, bei denen Genauigkeit und Zuverlässigkeit über Erfolg oder Misserfolg entscheiden .
- U-Boote navigieren wochenlang unter Wasser ohne GPS-Signale.
- Raketen und Flugkörper – stabile Steuerung auch bei extremen Geschwindigkeiten und Flugmanövern.
- Kampfflugzeuge und Raumfahrzeuge – gewährleisten präzise Lageregelung bei Verteidigungs- und Weltraummissionen.
- Geodäsie und Kartierung – Anwendung bei Vermessungsgeräten, bei denen die Drift nahezu null sein muss.
- FOG : Hohe Kosten, aber unübertroffene Leistung für langfristige, kritische Einsätze.
- MEMS : Preiswert und kompakt, ideal für kleine oder kurze Missionen.
- Fazit : Die richtige Wahl hängt vom Einsatzprofil Ihrer Plattform ab – FOG für Präzision, MEMS für Flexibilität .
Warum GuideNav die vertrauenswürdige Wahl für FOGs ist?
Faseroptische Gyroskope sind aus der modernen Navigation nicht mehr wegzudenken und genießen in Verteidigung, Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt und Industrie hohes Vertrauen. Käufer müssen sich nicht länger zwischen Kosten, Größe und Präzision entscheiden. Mit dem umfassenden Portfolio an FOG-Lösungen von GuideNav profitieren Sie von Genauigkeit, Zuverlässigkeit und bewährter Leistung, maßgeschneidert für Ihre Mission. Von taktischen Plattformen bis hin zu strategischen Systemen – GuideNav stellt sicher, dass jedes Projekt von der optimalen Kombination aus Technologie und Vertrauen .
