يقيس الجيروسكوب الدوران. ويعتمد كل نظام ملاحة بالقصور الذاتي ونظام مرجع الاتجاه والوضعية ووحدة تحكم بالطيران في الطائرات المسيّرة على الجيروسكوبات لمعرفة وجهته وسرعة دورانه. وتأتي الجيروسكوبات بعدة تقنيات شديدة الاختلاف، ويحدد الاختيار بينها مدى قدرة نظام الملاحة على الحفاظ على اتجاهه حين لا يساعده شيء من خارج المركبة.
ما الذي يقيسه الجيروسكوب
تقيس جيروسكوبات الملاحة الحديثة السرعة الزاوية: أي سرعة دوران المستشعر حول محور، بالدرجات في الثانية. وتغطي ثلاثة جيروسكوبات على زوايا قائمة الدوران الجانبي والميل والانعراج (yaw). ويكامل حاسوب الملاحة هذه السرعات عبر الزمن لتتبع اتجاه المركبة. وأي خطأ صغير في السرعة يصبح خطأً متناميًا في الزاوية، ولهذا تهم جودة الجيروسكوب كثيرًا.
الأرقام التي تصف الجيروسكوب
- ثبات الانحياز (°/hr): أصغر انحراف في نقطة الصفر للجيروسكوب عبر الزمن. وهو الرقم الرئيسي لمدى قدرة النظام على الملاحة بمفرده.
- المشي العشوائي للزاوية (°/√hr): الضجيج في المخرجات، الذي يضيف تيهانًا عشوائيًا إلى الزاوية المكاملة.
- المدى (°/s): أسرع دوران يستطيع الجيروسكوب قياسه.
- خطأ معامل المقياس (ppm): مدى ابتعاد السرعة المقيسة عن السرعة الحقيقية نسبةً إليها.
- الانحياز مع درجة الحرارة: مقدار تحرك نقطة الصفر عند تسخين المستشعر أو تبريده، وهو ما يجب أن تصححه المعايرة.
الجيروسكوبات الميكانيكية
الجيروسكوب الكلاسيكي دوّار يدور على حوامل متدرجة (gimbals). تقاوم كمية حركته الزاوية تغيّر الاتجاه، فيبقى محور دورانه ثابتًا بينما تدور المركبة حوله. وقد وجّهت الجيروسكوبات الميكانيكية السفن والطائرات معظم القرن العشرين ويمكن أن تكون شديدة الدقة، لكنها ثقيلة وتحتاج إلى صيانة دقيقة وفيها أجزاء متحركة تبلى. وفي التصاميم الجديدة تراجعت إلى حد بعيد أمام النوعين البصري وMEMS أدناه.
جيروسكوبات الليزر الحلقي (RLG)
يرسل جيروسكوب الليزر الحلقي شعاعين ليزريين في اتجاهين متعاكسين حول مسار مغلق، عادةً مثلث أو مربع من المرايا في كتلة زجاجية. وعندما تدور الكتلة، يصبح مسار أحد الشعاعين أطول قليلًا من الآخر (تأثير ساغناك)، ويظهر الفرق في صورة إزاحة في نمط التداخل. ولا تحتوي جيروسكوبات RLG أجزاء دوّارة، وهي شديدة الثبات وتُستخدم على نطاق واسع في الطائرات وأنظمة الملاحة الاستراتيجية. وهي كبيرة الحجم وباهظة نسبيًا، وتحتاج إلى "اهتزاز" ميكانيكي (dither) أو تقنية أخرى لتجنب الانغلاق (lock-in) عند معدلات دوران منخفضة جدًا.
جيروسكوبات الألياف الضوئية (FOG)
يستخدم جيروسكوب الألياف الضوئية تأثير ساغناك نفسه، لكن الضوء يسير عبر ملف طويل من الألياف الضوئية بدلًا من التنقل بين المرايا. ويعطي الملف الأطول تأثيرًا أكبر وحساسية أفضل. وجيروسكوبات FOG صلبة الحالة وبلا مشكلة انغلاق وتتحمل الصدمات والاهتزاز جيدًا وتبلغ ثباتًا بمستوى الملاحة. أما التصاميم ذات الحلقة المغلقة، التي تعيد إشارة لتصفير إزاحة الطور، فتعطي مدى ديناميكيًا واسعًا ومعامل مقياس خطيًا جدًا.
ويستخدم نظام Aldebaran FOG INS من Aeron جيروسكوبات ألياف ضوئية ذات حلقة مغلقة بثبات انحياز 0.1 °/hr ومشي عشوائي للزاوية دون 0.012 °/√hr، للمنصات التي يجب أن تحافظ على حل دقيق عبر فترات فقدان GNSS الطويلة.
جيروسكوبات MEMS
جيروسكوبات MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) هياكل صغيرة مهتزة محفورة في السيليكون. تُدفع كتلة اختبار إلى الاهتزاز؛ وعندما تدور الشريحة، يدفع تأثير كوريوليس الكتلة جانبيًا بمقدار يتناسب مع السرعة الزاوية، وتُقاس تلك الحركة كهربائيًا. وجيروسكوبات MEMS صغيرة وخفيفة ومنخفضة الاستهلاك للطاقة ومتينة ورخيصة، ولهذا توجد في كل هاتف وطائرة مسيّرة. وتبلغ أفضل جيروسكوبات MEMS الآن أداء الفئة التكتيكية، ويستخرج منها أقصى ما فيها معايرة المصنع الدقيقة للانحياز وعدم المحاذاة ودرجة الحرارة.
وCastor GYR1200 من Aeron وحدة جيروسكوب MEMS ثلاثية المحاور من الفئة التكتيكية بثبات انحياز 0.6 °/hr ومشي عشوائي للزاوية 0.1 °/√hr ومدى ±480 °/s، معايَرة في المصنع للانحياز وعدم المحاذاة ومعوَّضة لدرجة الحرارة عبر نطاق تشغيلها. وهي تتحمل صدمة ميكانيكية حتى 1500 g وتخرج بياناتها عبر RS422. كما أن جيروسكوبات MEMS في صميم نظامَي الملاحة بالقصور الذاتي Octantis وPollux 3 من Aeron ومفتاح الميلان Vega TSW-G الذي يستخدم جيروسكوبه لقياس الزوايا بموثوقية على الآلات المهتزة.
كيف تقارن
- MEMS: الأصغر والأخف والأقل استهلاكًا للطاقة وكلفة؛ من الفئة الاستهلاكية إلى التكتيكية. الأفضل حيث يهيمن الحجم والتكلفة، أو حيث يتوافر GNSS أو إسناد آخر في الغالب.
- FOG: أكبر وأعلى كلفة؛ من الفئة التكتيكية إلى فئة الملاحة. الأفضل حيث تلزم ملاحة مطولة دون إسناد أو دقة اتجاه عالية.
- RLG: ثبات عالٍ، راسخ في الطائرات والأنظمة الاستراتيجية؛ أكبر حجمًا وكلفة.
- الميكانيكي: استخدامات تاريخية وتخصصية اليوم.
اختيار جيروسكوب
ابدأ بالمدة التي يجب أن يحافظ فيها النظام على اتجاهه دون مساعدة خارجية، ومقدار خطأ الزاوية المقبول في نهاية تلك المدة. اقسم أحدهما على الآخر فتحصل على ثبات انحياز تقريبي تستهدفه. ثم وازن بين الحجم والوزن والطاقة والبيئة والميزانية. وإذا أردت مساعدة في هذه الحسبة لمنصتك، تحدّث إلى مهندسينا.
