يُعدّ نظام قياس القصور الذاتي FOG IMU في مجال تكنولوجيا الدفاع المتطورة حلاً لا تستطيع تقنية MEMS تحقيقه

تصفح المقال بسرعة في دقيقة واحدة

وحدة قياس القصور الذاتي للجيروسكوب الليفي البصري (FOG IMU) و وحدة قياس القصور الذاتي MEMS تختلف وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) المزودة بجيروسكوب ألياف بصرية اختلافًا كبيرًا في الدقة، والقدرة على التكيف مع البيئة، والموثوقية، وغيرها من الجوانب، وذلك لاختلاف المبادئ التقنية. ولا تزال هذه الوحدات لا غنى عنها في مجالات الأسلحة الاستراتيجية، واستكشاف الفضاء السحيق/أعماق البحار، والأنظمة العسكرية عالية الديناميكية، والأجهزة العلمية. وتكمن مزاياها الأساسية في دقتها العالية، وثباتها في جميع درجات الحرارة، ومقاومتها الشديدة للظروف البيئية القاسية. وحتى مع اقتراب بعض أنظمة MEMS المتطورة من مستوى الأداء التكتيكي، فإنها لا تزال عاجزة عن تلبية متطلبات المستوى الاستراتيجي لتكنولوجيا الدفاع المتطورة.

التطبيقات الأساسية في مجال تكنولوجيا الدفاع المتطورة

1. الملاحة والتوجيه للمعدات العسكرية على المستوى الاستراتيجي

تحتاج الصواريخ الباليستية العابرة للقارات والغواصات النووية الاستراتيجية إلى الحفاظ على دقة تحديد مواقع فائقة (استقرار انحياز صفري ≤ 0.05 درجة/ساعة) في بيئات تفتقر إلى إشارات الأقمار الصناعية (مثل أعماق البحار أو الفضاء)، ومقاومة الصدمات القوية (>25g)، ​​ودرجات الحرارة القصوى (-45 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية)، والتداخل الكهرومغناطيسي. يُعد استقرار الانحياز الصفري (عادةً ≥ 0.1 درجة/ساعة) ومقاومة الصدمات لوحدة القياس بالقصور الذاتي الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS IMU) غير كافيين، وقد يؤدي تراكم الأخطاء إلى انحراف التوجيه عن الهدف.

في مجال التحكم في وضعية الأقمار الصناعية، تتطلب بيئة الفضاء قياس السرعة الزاوية بدقة تصل إلى مستوى الميكروراديان (المشي العشوائي ≤ 0.005°/√ ساعة) واستقرارًا طويل الأمد (متوسط ​​الوقت بين الأعطال > 20000 ساعة). يتميز الجيروسكوب الليفي البصري باستقرار حراري ومقاومة للإشعاع أفضل من الجيروسكوبات الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، التي تعمل بشكل أفضل في الفراغ.

تنجرف بسهولة تحت تأثير الإشعاع.

2. تداخل كهرومغناطيسي قوي وأنظمة تكتيكية عالية الديناميكية

في المجال الكهرومغناطيسي القوي لمنصات الحرب الإلكترونية (مثل أجهزة التشويش الراداري)، تكون أنظمة MEMS عرضة لقفزات البيانات بسبب حساسية هياكل أشباه الموصلات للتداخل، بينما تعتمد الجيروسكوبات الليفية البصرية تصميمًا بصريًا بالكامل ولها خصائص مواد غير مغناطيسية يمكنها مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي تمامًا.

أثناء عملية توجيه الطائرات فائقة السرعة، تتولد اهتزازات شديدة ودرجات حرارة عالية خلال الطيران بسرعات فائقة (أكثر من 5 ماخ). وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) المكونة من جيروسكوب ألياف بصرية ومقياس تسارع كوارتزي قادرة على تحمل صدمة بقوة 100 غرام واهتزازات بتردد 2000 هرتز، بينما يكون هيكلها المصنوع بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) عرضة للفشل الناتج عن الرنين.

في نظام التحكم في إطلاق النار للطائرات المقاتلة العسكرية، يتم حساب زاوية الوضع في الوقت الفعلي (الخطأ).<يتطلب الأمر دقة تصل إلى 0.01 درجة أثناء الطيران عالي القدرة على المناورة (مثل حمولة زائدة تبلغ 9g). وتتفوق استجابة الجيروسكوب الليفي البصري الخطية (معامل اللاخطية ≤ 50 جزءًا في المليون) بشكل ملحوظ على أنظمة MEMS (≥ 500 جزء في المليون).

3. استكشاف أعماق البحار والملاحة الذاتية تحت الماء

في مجال تطبيقات المركبات تحت الماء غير المأهولة (AUV/ROV) وأجهزة قياس الزلازل تحت الماء، يُعدّ الاعتماد على الملاحة بالقصور الذاتي ضروريًا لعدة أشهر في بيئات أعماق البحار التي تفتقر إلى نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، ويجب ألا يتجاوز خطأ تحديد الموقع 1% من مسافة الملاحة. يُمكن لجيروسكوب الألياف الضوئية، بفضل استقراره طويل الأمد عند انعدام الانحياز (≤ 0.1 درجة/ساعة)، وانخفاض مستوى الضوضاء في مقياس التسارع الكوارتزي (≤ 100 ميكروغرام)، دعم قياسات انعدام الجاذبية، بينما يؤدي انحراف درجة حرارة نظام MEMS (≥ 500 ميكروغرام) وتراكم الضوضاء إلى انحراف في تحديد الموقع. على سبيل المثال، في فحص خطوط الأنابيب تحت الماء، إذا تجاوز الخطأ التراكمي 10 أمتار، فقد يتسبب ذلك في تلف المعدات.

4. الاستكشاف العلمي والمسح الدقيق

في قياس تدرج الجاذبية والاستكشاف العلمي القطبي، يكون تداخل المجال المغناطيسي القطبي كبيرًا، ولا يوجد مرجع مغناطيسي أرضي. تُمكّن الخصائص غير المغناطيسية لجيروسكوبات الألياف الضوئية من تحديد الشمال ذاتيًا (بدقة اتجاه ≤ 0.08 درجة)، بينما تعتمد أنظمة MEMS على مقاييس المغناطيسية، ما يجعلها غير فعّالة في المناطق القطبية.

في معايرة مدارات المركبات الفضائية في الفضاء السحيق، بالاعتماد على مزيج من ضوء النجوم والملاحة بالقصور الذاتي، يقترب المشي العشوائي الزاوي لجيروسكوب الألياف البصرية (≤ 0.002 درجة/√h) من الحد الكمي، ويكون ضجيج MEMS أعلى بمقدار رتبة أو رتبتين (≥ 0.03 درجة/√h).

مقارنة الأداء الرئيسية

يلخص الجدول التالي المزايا الأساسية التي لا غنى عنها لوحدة قياس القصور الذاتي FOG:

مؤشرات الأداء الأساسية لوحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) للجيروسكوب الليفي البصري

يسرد الجدول التالي مؤشرات الأداء الأساسية لوحدتي قياس القصور الذاتي FOG ثلاثية المحاور

خاتمة

بالرغم من وحدة قياس القصور الذاتي MEMSتتمتع هذه الأجهزة بمزايا من حيث التكلفة والحجم واستهلاك الطاقة (مثل الإلكترونيات الاستهلاكية وأنظمة الملاحة في السيارات). وحدة قياس القصور الذاتي الضبابية لا تزال هذه التقنية الخيار الأمثل في التطبيقات التي تتطلب دقة عالية وموثوقية فائقة ومقاومة قوية للتداخل. ومع تطور تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، بدأت هذه التقنية بالانتشار تدريجيًا في سوق الجيروسكوبات الليفية البصرية منخفضة التكلفة، إلا أن القيود المادية لتقنية الألياف البصرية لا تزال قائمة في المجالات الاستراتيجية المذكورة أعلاه.

• المقالة السابقة

  العلاقة بين نطاق استجابة التردد وتردد الرنين لشريحة مقياس التسارع

• الصفحة التالية

  آلية الحماية من التيار الزائد لمنظمات الجهد المنخفض