Faseroptische Gyroskope (FOGs) sind Präzisions-Trägheitssensoren, die mithilfe des Sagnac-Effekts die Winkelgeschwindigkeit messen und Rotationsdaten für militärische Navigations-, Lenk- und Stabilisierungssysteme liefern. Diese Festkörpergyroskope sind in Konfigurationen mit offenem Regelkreis, geschlossenem Regelkreis und als mehrachsige Systeme erhältlich, um unterschiedlichen Leistungs- und Integrationsanforderungen gerecht zu werden.
Diese Kategorie umfasst Hersteller von faseroptischen Gyroskopen sowie Lösungen für Militärflugzeuge, UAVs, gepanzerte Fahrzeuge, Marineschiffe, U-Boote und autonome Unterwasserplattformen.
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Fortschrittliche Trägheitsnavigationssysteme (INS) für zuverlässige Navigation in anspruchsvollen Einsatzumgebungen
Hochpräzise MEMS-, Quarz- und FOG-Trägheitssensorsysteme für Militär-, Luftfahrt- und Verteidigungsanwendungen
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Faseroptische Gyroskope (FOGs) sind hochpräzise Trägheitssensoren, die die Winkelgeschwindigkeit anhand der Interferenz von Licht messen, das durch eine optische Faser geleitet wird. Diese Festkörpergyroskope, die auf dem Sagnac-Effekt basieren, erfassen Rotationen ohne herkömmliche rotierende mechanische Komponenten und liefern stabile Winkelgeschwindigkeitsmessungen für militärische Navigations-, Lenk- und Stabilisierungssysteme.
Faseroptische Gyroskope sind in Konfigurationen für den taktischen, navigatorischen und strategischen Einsatz erhältlich und werden in Militärflugzeugen, unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), gepanzerten Fahrzeugen, Marineplattformen und präzisionsgelenkten Waffen eingesetzt. Sie werden zudem in Trägheitsmesseinheiten (IMUs) und Trägheitsnavigationssysteme (INS) integriert, wo ihre Messwerte die Lagebestimmung, Kursschätzung und Navigation bei Ausfällen des GNSS-Systems unterstützen.
Faseroptische Gyroskope sind in verschiedenen Architekturen und Konfigurationen erhältlich, die sich hinsichtlich des optischen Designs, der Signalverarbeitung, der Messgenauigkeit und der Integrationsanforderungen unterscheiden. Sie können zudem nach Leistungsklassen klassifiziert werden, die ihre Eignung für unterschiedliche Navigations- und Stabilisierungsanwendungen widerspiegeln.
| FOG-Typ | Funktionsprinzip und Leistungsmerkmale |
| Faseroptische Gyroskope mit offenem Regelkreis | Messen die Sagnac-Phasenverschiebung, ohne diese durch eine Rückkopplung im geschlossenen Regelkreis aktiv auszugleichen. Diese Bauformen bieten in der Regel eine einfachere Steuerelektronik, obwohl ihre Linearität, ihr Dynamikbereich und die Stabilität des Skalierungsfaktors möglicherweise eingeschränkter sind als bei Konfigurationen mit geschlossenem Regelkreis. |
| Faseroptische Gyroskope mit geschlossenem Regelkreis | Verwenden eine Rückkopplungsmodulation, um die gemessene Phasenverschiebung zu kompensieren, wodurch Linearität, Dynamikbereich und Skalierungsfaktor verbessert werden. Diese Konfigurationen werden häufig in hochpräzisen militärischen Navigationssystemen eingesetzt, die stabile Winkelgeschwindigkeitsmessungen erfordern. |
| Interferometrische faseroptische Gyroskope (IFOGs) | Messen die Drehung durch Interferenz zwischen gegenläufigen Lichtwellen in einer optischen Faserspule. Diese etablierte FOG-Architektur kann eine Signalverarbeitung im offenen oder geschlossenen Regelkreis nutzen, wobei die Leistung durch das Spulendesign, die optischen Komponenten und die elektronische Verarbeitung beeinflusst wird. |
| Resonanz-Faseroptikgyroskope (RFOGs) | Verwenden einen Glasfaserresonator, um rotationsbedingte Frequenzunterschiede zwischen gegenläufigen Lichtwellen zu erfassen. Resonanzkonstruktionen bieten das Potenzial, die erforderliche Faserlänge zu reduzieren, wobei die Leistung jedoch von der Beherrschung des optischen Rauschens, der Rückstreuung und der Umgebungsempfindlichkeit abhängt. |
| Einachsige faseroptische Gyroskope | Messen die Winkelgeschwindigkeit um eine Sensorachse und unterstützen einzelne Stabilisierungskanäle, die Überwachung der Winkelgeschwindigkeit sowie die Integration in Multisensor-Baugruppen. |
| Dreiachsige faseroptische Gyroskop-Baugruppen | Kombinieren drei orthogonal angeordnete Messachsen, um Rotationsbewegungen in drei Dimensionen zu messen. In Verbindung mit Beschleunigungssensoren und Navigationsverarbeitung unterstützen diese Baugruppen die Trägheitsnavigation, die Lagebestimmung und die Plattformstabilisierung. |
Boreas A70 & A90, robuste Navigation mit faseroptischen Gyroskopen von Advanced Navigation
Militärflugzeuge nutzen auf FOG basierende Trägheitssysteme zur Unterstützung der Lagebestimmung, Navigation und Flugsteuerung. In Verbindung mit Beschleunigungssensoren und anderen Avioniksensoren liefern faseroptische Gyroskope Rotationsmesswerte, die dabei helfen, die Ausrichtung des Flugzeugs zu bestimmen und Änderungen der Fluglage zu verfolgen. Hochleistungskonfigurationen eignen sich für Kampfflugzeuge, militärische Transportplattformen und spezialisierte Überwachungsflugzeuge, die unter anspruchsvollen Flugbedingungen eingesetzt werden.
Taktische Navigationssysteme nutzen FOGs, um Kurs- und Fluglageninformationen für militärische Einsätze bereitzustellen. Auf faseroptischen Gyroskopen basierende Trägheitsnavigationssysteme kombinieren Winkelgeschwindigkeitsmessungen mit Beschleunigungsmesserdaten, um die Ausrichtung, Geschwindigkeit und Position der Plattform ausgehend von einem initialisierten Navigationszustand zu schätzen. In Verbindung mit GNSS oder anderen unterstützenden Sensoren können diese Systeme kumulierte Navigationsfehler begrenzen und den fortgesetzten Betrieb bei vorübergehenden Unterbrechungen der Positionssignale sowie in elektromagnetisch gestörten Umgebungen gewährleisten.
Militärische UAVs nutzen kompakte faseroptische Gyroskope für die Trägheitsnavigation, die Flugstabilisierung und die Fluglageregelung. Taktische FOG-Systeme liefern Winkelgeschwindigkeitsmessungen für Plattformen, die eine präzise Schätzung von Fluglage und Bewegung erfordern, insbesondere bei GNSS-Störungen oder unter beeinträchtigten Ortungsbedingungen. Konfigurationen mit geringen Abmessungen, geringem Gewicht und geringem Stromverbrauch (SWaP) sind besonders relevant für unbemannte Flugzeuge mit begrenzter Nutzlastkapazität und begrenzter Stromversorgung.
Raketenlenkungs- und präzisionsgelenkte Waffensysteme nutzen Gyroskope mit hohem Dynamikbereich zur Messung der Winkelbewegung während des Starts, der Manöver und des Fluges. FOG-basierte Trägheitssysteme können eine kontinuierliche Lage- und Navigationsschätzung ermöglichen, ohne auf externe Signale angewiesen zu sein, obwohl sich Trägheitsfehler im Laufe der Zeit akkumulieren. Für diese Anwendungen ausgewählte Gyroskope müssen hohe Anforderungen hinsichtlich Beschleunigungstoleranz, Vibrationsfestigkeit, schneller Anlaufzeit und Messstabilität erfüllen.
Gepanzerte Fahrzeuge, Militärlastwagen und autonome Bodenplattformen integrieren faseroptische Gyroskope in ihre Navigations- und Stabilisierungssysteme. FOG-basierte INS-Einheiten liefern Kurs- und Bewegungsschätzungen, wenn keine GNSS-Signale verfügbar sind, während Gyroskopmessungen zudem stabilisierte Waffenstationen, Beobachtungsgeräte und Sensorplattformen unterstützen. Robuste Ausführungen sind so konzipiert, dass sie Fahrzeugvibrationen, mechanischen Stößen und Temperaturschwankungen standhalten.
Zweiachsige faseroptische Gyroskope von Micro Magic
Marineschiffe und U-Boote nutzen leistungsstarke FOG-Systeme zur Lagebestimmung, Kursreferenzierung und Trägheitsnavigation. In die Navigationsausrüstung an Bord integriert, liefern faseroptische Gyroskope Rotationsmessungen, die die Orientierung des Schiffes und die Bewegungsschätzung unterstützen, ohne dass sich mechanisch drehende Sensorelemente erforderlich sind. Systeme in Navigationsqualität und mit höherer Leistungsfähigkeit sind besonders für U-Boote relevant, wo Aktualisierungen der Satellitennavigation über längere Zeiträume hinweg möglicherweise nicht verfügbar sind.
Militärische autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) nutzen FOG-basierte Navigationssysteme zur Schätzung von Lage und Bewegung im getauchten Zustand. In Kombination mit Beschleunigungssensoren, Doppler-Geschwindigkeitsmessern (DVLs) und akustischen Ortungssystemen unterstützen FOGs die Unterwassernavigation während Einsätzen ohne kontinuierlichen GNSS-Zugang. DVL-Messungen können als Geschwindigkeitsunterstützung dienen, um kumulierte Trägheitsnavigationsfehler zu reduzieren, wodurch kompakte Systeme in Navigationsqualität besonders wertvoll für Unterwasseraufklärung, Minenabwehr und Unterwasservermessungsoperationen sind.
Militärsatelliten und Raumfahrzeuge können faseroptische Gyroskope zur Messung der Winkelgeschwindigkeit und zur Lageregelung integrieren. FOGs liefern Rotationsdaten an die bordeigenen Leit-, Navigations- und Steuerungssysteme und unterstützen so neben anderen Lagesensoren und Steuerungsgeräten die Orientierung des Raumfahrzeugs sowie die Stabilität der Ausrichtung. Für den Einsatz im Weltraum qualifizierte Konstruktionen erfordern eine angemessene Strahlungstoleranz, thermische Stabilität, Widerstandsfähigkeit gegen Startvibrationen sowie Zuverlässigkeit für die jeweilige Missionsumgebung.
Faseroptische Gyroskope, die für Verteidigungsanwendungen vorgesehen sind, erfordern je nach ihren Einbau- und Betriebsanforderungen möglicherweise eine Qualifizierung hinsichtlich Umgebungsbedingungen, elektrischer Eigenschaften und Leistungsmerkmale. Die relevanten Normen hängen von der Trägerplattform, der Systemarchitektur und den Beschaffungsspezifikationen ab.
Die geltenden Qualifikationsanforderungen hängen von der Trägerplattform, der elektrischen Architektur, den Beschaffungsspezifikationen und der vorgesehenen Einsatzumgebung ab. Die Einhaltung der einzelnen Normen sollte anhand der geltenden Prüfverfahren und festgelegten Anforderungen überprüft werden und nicht allein aufgrund der vorgesehenen militärischen Verwendung des Gyroskops vorausgesetzt werden.
Fortschritte bei photonischen Komponenten, der optischen Sensorik und der digitalen Signalverarbeitung tragen zu Verbesserungen hinsichtlich der Leistung, Integration und betrieblichen Flexibilität von FOGs für Verteidigungsanwendungen bei.
Diese Entwicklungen sind besonders relevant für militärische Plattformen, die kompakte, zuverlässige Trägheitssensorik mit geringerer Abhängigkeit von externen Navigationssignalen erfordern.
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