Подводная навигация — дело непростое. Без сигналов GPS подводные аппараты полностью полагаются на инерциальные датчики для отслеживания своего положения. Небольшое отклонение в минуту может накапливаться, приводя к километрам погрешности за длительные миссии. Для операторов, занимающихся картографированием трубопроводов или исследованием глубоководных районов, такие отклонения могут означать провал миссий, увеличение затрат и снижение безопасности. Именно поэтому выбор между волоконно-оптическими гироскопами (FOG) и микроэлектромеханическими инерциальными измерительными блоками (MEMS IMU) имеет решающее значение.
Гироскопы на основе волоконно-оптических гироскопов (FOG) обеспечивают сверхнизкий дрейф и долговременную стабильность в подводных условиях, когда отсутствует GNSS-сигнал, в то время как инерциальные измерительные блоки на основе микроэлектромеханических систем (MEMS IMU) предлагают компактные и маломощные альтернативы, лучше подходящие для кратковременных инспекций и платформ с ограниченным бюджетом.
Дискуссия между волоконно-оптическими гироскопами (FOG) и микроэлектромеханическими системами (MEMS) сводится не к тому, какая технология новее, а к тому, какая из них действительно выдерживает суровые реалии подводной навигации. Сравнивая их характеристики по точности, устойчивости к воздействию окружающей среды, виброустойчивости, энергопотреблению, весу и сроку службы, мы можем выявить сильные и слабые стороны каждой технологии. Такой структурированный подход помогает операторам подобрать подходящий датчик для конкретной подводной задачи.
Оглавление
Точность и дрейф в длительных миссиях: какой датчик показывает лучшие результаты?
FOG Performance
Датчики на основе волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) используют эффект Сагнака для измерения угловой скорости независимо от механических частей. Такая конструкция обеспечивает исключительно низкую скорость дрейфа , часто <0,05 °/ч, что делает их очень стабильными для миссий продолжительностью 6–10 часов и более. При подводном картографировании или инспекции трубопроводов автономные подводные аппараты, оснащенные ВОГ, поддерживают надежные оценки курса без постоянного внешнего обновления, обеспечивая точность съемки и эффективность миссии.
Характеристики MEMS
MEMS-гироскопы измеряют вращение посредством вибрирующих конструкций. Несмотря на улучшения, их нестабильность смещения по-прежнему находится в диапазоне 1–10 °/ч , что приводит к значительным кумулятивным ошибкам в условиях отсутствия GNSS-сигнала. MEMS-устройства могут справляться с короткими погружениями или задачами инспекции, длящимися менее часа, но при длительных погружениях накопление дрейфа требует частой коррекции с помощью доплеровских лазерных локаторов (DVL), доплеровских лазерных локаторов (USBL) или акустических маяков. Эта зависимость ограничивает автономность при глубоководных операциях.
Сравнение
FOG : Непревзойденная стабильность, подходит для длительных съемок.
MEMS : Подходит только для краткосрочных миссий с ограниченным временем выполнения.
Вердикт : FOG — лучший выбор, когда точность в течение длительного времени имеет решающее значение для выполнения задачи.
Устойчивость к воздействию окружающей среды: какие технологии выдерживают экстремальное подводное давление и температуру?
Прочность на разрыв
Волокнистые гироскопы (FOG) используют оптические катушки и твердотельную электронику, что делает их по своей природе устойчивыми к давлению, солености и значительным колебаниям температуры . Поскольку в них отсутствуют вибрирующие конструкции, давление на глубине минимально влияет на их работу. Температурный дрейф предсказуем и может быть компенсирован на заводе, что обеспечивает стабильную точность курса даже в арктических или тропических водах.
Надежность MEMS
MEMS-датчики построены на основе кремниевых микроструктур, чувствительных к тепловому расширению, напряжениям и колебаниям давления . Подводные условия — особенно резкие перепады температуры или высокая соленость — могут ухудшить стабильность их смещения и линейность масштабного коэффициента. Алгоритмы компенсации и инкапсуляция помогают, но MEMS-датчики, как правило, требуют активной перекалибровки при изменении условий окружающей среды.
Сравнение
FOG : Более устойчив к длительному воздействию подводной среды.
MEMS : Чувствительны к воздействию окружающей среды, требуют частой коррекции.
Вывод : FOG остается надежным вариантом для глубоководных миссий, в то время как MEMS подходит для мелководья или контролируемых условий.
Вибрация и удары: какой датчик обеспечивает стабильность при динамических нагрузках?
Устойчивость к туману
Гироскопы на основе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), не имеющие движущихся механических частей, по своей природе менее чувствительны к ошибкам, вызванным вибрацией. На подводных платформах, таких как автономные подводные аппараты (АППА), работающие вблизи течений на морском дне, или дистанционно управляемые подводные аппараты (РОВ), работающие с инструментами, ВОГ поддерживают стабильные выходные сигналы даже при постоянных микровибрациях или внезапных ударах. Их оптическая конструкция гарантирует минимальное влияние динамических нагрузок на смещение и масштабный коэффициент, поэтому ВОГ пользуются доверием в системах противоминной защиты на море и в морском строительстве.
Стабильность МЭМС
Несмотря на прочную микромасштабную конструкцию, MEMS-датчики по своей природе более уязвимы к вибрационным шумам и ударам . Вибрирующие конструкции могут улавливать нежелательные частоты, вызывая ложные показания угловой скорости или временную нестабильность выходного сигнала. Хотя методы демпфирования и фильтрации улучшают производительность, MEMS-гироскопы часто требуют обширной обработки сигнала, чтобы оставаться пригодными для использования в условиях сильной вибрации, например, в подводных дронах с подруливающими устройствами.
Сравнение
- FOG : Обеспечивает стабильные показания при вибрации и внезапных ударах, минимизируя распространение ошибок.
- MEMS : Легкие, но подвержены шуму, вызванному вибрацией, и требуют мощной фильтрации.
- Вывод : Для платформ, подверженных турбулентности, вибрации, вызванной винтом, или операциям с подводным оборудованием, волоконно-оптический гальванический кабель (FOG) явно представляет собой более стабильное и надежное решение.
Размер, вес и энергопотребление: какой датчик подходит для платформ с ограничениями по размерам, весу и энергопотреблению?
Характеристики FOG SWaP
Традиционно датчики на основе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) оснащаются более крупными оптическими катушками и потребляют больше энергии . Даже с учетом недавней миниатюризации, тактический ВОГ может весить несколько сотен граммов и потреблять несколько ватт энергии. На небольших автономных подводных аппаратах (АППА) или дистанционно управляемых аппаратах (РОУ) с ограниченным временем автономной работы это может снизить продолжительность работы или грузоподъемность. Однако для подводных аппаратов среднего и большого масштаба компромисс между размером и энергопотреблением часто оправдан непревзойденной точностью и стабильностью.
Характеристики MEMS SWaP
MEMS-инерциальные измерительные блоки (IMU) по своей природе компактны, легки и энергоэффективны . Многие тактические MEMS-блоки весят менее 50 граммов и потребляют менее 1 ватта. Это делает их идеальными для небольших инспекционных дронов, портативных навигационных устройств для водолазов или полезных нагрузок, где важен каждый грамм и миллиампер. Их небольшие габариты позволяют интегрировать их в тесные корпуса, что способствует созданию маневренных транспортных средств.
Сравнение
- FOG : Более громоздкий и энергоемкий, лучше всего подходит для платформ с достаточным пространством и энергетическим бюджетом.
- MEMS : Оптимизировано для систем с ограничениями по размерам, весу и энергопотреблению, что позволяет создавать легкие и энергоэффективные конструкции.
- Вывод : Когда компактность и эффективность являются главными приоритетами, MEMS — это естественный выбор; для задач, где точность важнее выносливости, FOG остается эталоном.
Интеграция с подводными средствами навигации: какой датчик лучше всего работает с доплеровским лазерным локатором (DVL) и подводным лазерным локатором (USBL)?
Интеграция FOG
Гироскопы на основе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) обеспечивают высокостабильную опорную точку , что значительно повышает эффективность доплеровских локусов скорости (DVL), акустических систем со сверхкороткой базой (USBL) и длинной базой (LBL). Поскольку выходные сигналы ВОГ остаются точными с течением времени, вспомогательные датчики могут обновляться реже, уменьшая ошибки навигации даже при прерывистом или частичном блокировании акустических сигналов. Эта синергия делает решения на основе ВОГ инерциальных навигационных систем (ИНС) стандартом для автономных подводных аппаратов исследовательского класса и длительных подводных миссий.
Интеграция MEMS
Из-за более высокого дрейфа и нестабильности смещения . Хотя они легко интегрируются с доплеровскими и USBL-измерителями благодаря своей легкой и удобной для цифровых устройств конструкции, частая необходимость в корректировках увеличивает зависимость системы от акустических обновлений. В условиях шума или ухудшения сигнала навигация на основе MEMS может демонстрировать скачки или ухудшение качества позиционирования, если не будет усилена передовыми алгоритмами слияния данных с датчиков.
Сравнение
- FOG : Обеспечивает стабильную основу для подводных вспомогательных систем, снижая зависимость от частых корректировок.
- MEMS : Легко интегрируется, но требует постоянных внешних обновлений для компенсации дрейфа.
- Вывод : Для миссий, где акустические обновления могут быть ненадежными, волоконно-оптический гироскоп (FOG) — более безопасный вариант; MEMS-технология может быть достаточной, если внешняя поддержка гарантирована и осуществляется часто.
От устойчивости к дрейфу до устойчивости к воздействию окружающей среды, виброустойчивости, соотношения веса, массы и энергопотребления, а также системной интеграции, проведенное сравнение ясно показывает, что волоконно-оптические гелиооптические датчики (FOG) в целом превосходят микроэлектромеханические системы (MEMS) в сложных подводных условиях, в то время как MEMS остаются практичным выбором для более легких и коротких миссий.
Однако одних только характеристик недостаточно для определения правильного решения. Стоимость, требования к техническому обслуживанию, качество данных и проверенные области применения в равной степени решающее значение при выборе датчика для подводных платформ. Во второй части мы продолжим это исследование, рассмотрев экономику жизненного цикла, техническое обслуживание, надежность картографирования и реальные сценарии использования, прежде чем прийти к окончательному решению о том, какая технология лучше подходит для использования под водой.
