Ugrás a tartalomhoz

Geodézia 15., Automatizáció a terepi adatgyűjtésben

Tarsoly Péter (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

15.3 Inerciális navigációs rendszerek

15.3 Inerciális navigációs rendszerek

A fizikából ismert, hogy a gyorsulás idő szerinti kétszeres integrálásával a megtett úthoz jutunk hozzá. Térbeli mozgás esetén a mozgó tárgyra három darab gyorsulásmérőt – egy képzeletbeli térbeli derékszögű koordinátarendszer tengelyeire - szerelve a tárgy mozgásának három koordinátatengelyre eső vetülete, végeredményben a tárgy térbeli útja számítható a fenti elv alapján. Egy ilyen módon elképzelt mérőműszer alkalmas lehet tehát helymeghatározásra. A feladat megoldásához azonban szükséges még, hogy biztosítani tudjuk a gyorsulásmérők tengelyei által definiált térbeli derékszögű koordinátarendszer „mozdulatlanságát” a fölérendelt –térképezést szolgáló- koordinátarendszerhez képest. Az ilyen elven működő mérőeszközöket nevezzük inerciális navigációs rendszernek (Inertial Navigation System - INS), amely definíció szerint inerciális mérőegységet (Inertial Measurement Unit - IMU), valamint vezérlő egységet tartalmaz (Barsi et al., 2006).

A tengelyek „mozdulatlanságát” eleinte mechanikus úton oldották meg. A tengelyek stabilizálását valóban elvégezték: erre a célra pörgettyűket használtak. (A giroszkópikus merevséggel rendelkező pörgettyű az inerciális koordináta rendszerhez képest helyzetét nem változtatja meg.)

Ez a megoldás igen finom mechanikai megoldást igényel. Az inerciális helymeghatározó rendszerek gyakorlati (geodéziai) elterjedését sokáig többek között éppen a tengelyek ilyen módon történő stabilizálása gátolta. Erre egészen addig kellett várni, míg ezt a költséges technikát felváltották a stabilizált tengellyel nem rendelkező, úgynevezett rögzített (strapdown) analitikus rendszerek (Sárközy, 1997.)

Ezekben az INS forgásának a műszertest három tengelye körüli szögsebességét giroszkópok mérik, melyek idő szerinti integrálásából számítható a tengelyek relatív szögelfordulás értéke a kezdeti állapothoz képest. Gyakorlati megvalósításukat tekintve három fő típusba sorolhatóak (Sárközy, 1997, Barsi et al., 2006):

  • Mikroelektro-mechanikai rendszerek (MEMS, Micro Electro Mechanical System)

  • Üvegszáloptikás giroszkópok (FOG, Fiber Opric Gyro)

  • Gyűrűs lézergirószkópok (RLG, Ring Laser Gyro)

15-2 ábra MEMS és RLG műszerek (Barsi et al., 2006)

A mai stabilizált tengellyel nem rendelkező analitikus műszereknél tehát a három tengely irányában mért gyorsulás értékeket - a giroszkópok által mért szögelfordulások ismeretében- folyamatosan átszámítjuk a térképezés koordinátarendszerébe. Egy ilyen analitikus eszköz felépítését a következő ábrán tekinthetjük meg. Az ábrán rendre piros, kék, zöld színnel vannak jelölve az egyes tengelyek és a hozzájuk tartozó gyorsulásmérők, illetve girószkópok.

15-3 ábra INS sematikus felépítése (Sárközy, 1997.)

A szögelfordulások mérésére használt lézergiroszkópok működési elve azon a fizikai törvényen alapul, hogy a mozgó testből kibocsájtott fény terjedésének sebessége konstans az inerciális koordinátarendszerhez képest (Sárközy, 1997.).

15-4 ábra Lézergiroszkóp működési elve (Sárközy, 1997.)

A 15-4. ábrán egy lézergiroszkóp elvi vázlata látható. Nem forgó eszközben a fénynek T időre van szüksége a lézergirószkóp száloptikája által meghatározott út bejárásához. Ha a műszer az ábrán látható módon az óramutató járásával megegyező irányban forog, akkor az optikai utat ebben az irányba bejáró fénysugárnak több, míg a száloptikában ellenkező irányban irányba mozgó fénysugárnak kevesebb időre van szüksége a száloptika által definiált út bejárásához. A futási idők méréséből, illetve az ismert úthossz segítségével számítható a keresett szögelfordulás értéke.

Könnyen megjósolható az INS rendszerek geodéziai elterjedése. Egy lehetséges alkalmazási lehetősége a GPS technikával történő kombinációjuk. Kinematikus felméréseknél egy esetleges jelvesztés idejére az INS berendezés szolgáltathat pozícióadatot a következő inicializálás elvégzéséig.

Egy másik elterjedt alkalmazási területük az ún. mobil térképező rendszerek külső tájékozási adatainak biztosítása.