En los viejos tiempos, descubrir tu ubicación en la Tierra era una tarea bastante complicada. Tenías que mirar las estrellas, usar un elegante equipo con cardán para seguir tu movimiento o simplemente poder seguir tus pasos muy, muy bien. Con el tiempo, llegaría el GPS y haría que todo eso fuera un poco redundante para muchos casos de uso. Eso estuvo muy bien, hasta que comenzó a bloquearse por todos lados para frustrar a los militares que usaban armas guiadas por satélite súper precisas.

Hoy en día, existe un gran deseo de contar con métodos de navegación más precisos que no requieran comunicaciones externas que puedan interferirse fácilmente. Los giroscopios de alta tecnología han sido durante mucho tiempo una parte importante de ese esfuerzo, permitiendo la construcción de sistemas de navegación inercial con mayor precisión que nunca.

¿Por qué la medición inercial?

El hecho es que ya no se puede confiar en el GPS y otros sistemas de navegación por satélite en campos de batalla en disputa y, a veces, incluso en zonas pacíficas. La tecnología para bloquear o falsificar estos sistemas de navegación ahora es fácilmente accesible tanto para los actores estatales como para los individuos con buenos recursos.

Por tanto, existe un gran deseo de disponer de sistemas de navegación que sean resistentes a las interferencias. Un sistema de navegación inercial (INS) es precisamente eso. El concepto es simple. Desde una posición inicial conocida, un INS mide la aceleración y rotación de un vehículo o proyectil determinado. A partir de estas mediciones, es posible calcular la posición, la orientación y la velocidad a lo largo del tiempo mediante navegación a estima. En un ejemplo simplista, si comienzas en tu casa, aceleras rápidamente a 2 metros por segundo y corres en línea recta durante un cierto período de tiempo, podrías determinar tu posición con relativa facilidad. Un INS hace exactamente eso, pero en tres dimensiones y con mucha, mucha precisión.

El problema con el enfoque de navegación a estima es que los errores son acumulativos. Si, por ejemplo, obtienes una medición de velocidad ligeramente incorrecta, tu posición actual estimada rápidamente se volverá más inexacta con el tiempo.

Por lo tanto, mejores mediciones crean una solución mucho más precisa que se puede utilizar durante más tiempo sin necesidad de consultar una referencia externa como el GPS. De ahí el interés en giroscopios de alto rendimiento que puedan medir con mayor precisión y con menos deriva en el tiempo. Las últimas tecnologías evitan los rotores giratorios y los sofisticados dispositivos mecánicos del pasado para adoptar enfoques completamente más salvajes.

Giroscopios láser de anillo

Los giroscopios láser de anillo, o RLG, utilizan un anillo de luz cerrado para medir la aceleración angular. En el corazón del RLG hay un camino óptico de forma triangular o cuadrada, formado por espejos que permiten que la luz viaje en un circuito cerrado. Dentro de este bucle, dos rayos de luz, normalmente procedentes de una única fuente láser, viajan en direcciones opuestas. En condiciones estacionarias, ambos haces de luz tardan la misma cantidad de tiempo en completar un bucle, lo que no produce una diferencia de fase observable entre ellos.

Sin embargo, la cosa cambia cuando el giroscopio experimenta rotación, gracias a la efecto sagnac. Cuando el RLG se somete a rotación, la longitud del camino para el haz de luz que viaja en la dirección de rotación se vuelve efectivamente más larga. A su vez, el recorrido del haz opuesto se acorta. Esta diferencia en las longitudes de los caminos hace que los dos haces experimenten un cambio en su fase relativa. A medida que los rayos completan sus caminos y vuelven a converger, interfieren entre sí. La diferencia de fase se manifiesta como un patrón de interferencia. Al medir este patrón, se puede calcular la velocidad angular experimentada por el giroscopio.

Vale la pena señalar que los RLG son notablemente sensibles y capaces de detectar cambios mínimos en la velocidad angular. Esta sensibilidad surge del hecho de que la luz viaja a una velocidad increíblemente alta, e incluso pequeños movimientos de rotación pueden inducir cambios de fase detectables en los haces de luz. Además, la naturaleza de estado sólido de los RLG, desprovistos de componentes mecánicos móviles, les otorga una robustez que es especialmente valiosa en aplicaciones donde la durabilidad y la confiabilidad son primordiales. Desde la aviación hasta la navegación por satélite, los RLG han encontrado su nicho, asegurando mediciones rotacionales precisas incluso en los entornos más exigentes.

Sin embargo, los RLG pueden ser un poco complicados, especialmente cuando se trata de detectar bajas tasas de rotación. En estos niveles, los dos rayos láser que se mueven en direcciones opuestas pueden "bloquearse" entre sí, ocultando cualquier diferencia de fase. Para evitar que esto suceda, los RLG a menudo están sujetos a un "tramado forzado", donde la cavidad del láser en realidad gira rápidamente hacia adelante y hacia atrás, generalmente alrededor de 400 Hz. Esto mantiene la velocidad angular del sistema fuera del rango de bloqueo. Para evitar que se produzca un bloqueo en los extremos del movimiento, donde el giroscopio cambia de dirección, a menudo se introduce ruido blanco en las rotaciones de 400 Hz.

Los sistemas de navegación basados ​​en RLG se han vuelto populares tanto en la aviación comercial como en contextos militares. La precisión típica puede ser del orden de una milla náutica de error por hora de operación. Los sistemas más grandes o los sistemas que acumulan giroscopios adicionales para comparar mediciones pueden mejorar aún más el rendimiento.

Giroscopios de fibra láser

Un giroscopio de fibra óptica, o FOG, funciona mediante el efecto Sagnac, al igual que un giroscopio de anillo láser. Sin embargo, en lugar de utilizar una pequeña cavidad rígida como en un giroscopio láser de anillo, se utiliza como cavidad un largo cable de fibra óptica enrollado. Se inyectan dos rayos del mismo láser en la fibra en direcciones opuestas. Su patrón de interferencia, afectado por la rotación del conjunto del giroscopio, se mide luego de la misma manera que el giroscopio láser de anillo.

El beneficio del FOG es que el impacto del efecto Sagnac aumenta efectivamente en un múltiplo del número de bucles de cable de fibra óptica. Esto se debe a que la trayectoria del láser es mucho más larga debido a que pasa a través de un largo cable de fibra óptica enrollado. La mayor longitud del camino significa que la diferencia de camino también es mayor entre los dos haces de interferencia, lo que le da al dispositivo una mayor resolución potencial.

Gracias a la capacidad de empaquetar una cavidad láser muy larga en un espacio compacto, se pueden construir prácticos giroscopios de fibra óptica con un rendimiento excelente en un espacio compacto. Grandes ejemplares marinos ajustados para un rendimiento óptimo pueden ofrecer precisión del orden de 1 milla náutica durante 360 ​​horas de operación. 

Giroscopios con resonador hemisférico

Giroscopios con resonador hemisférico, o HRG, utilizan la resonancia mecánica como base de su funcionamiento. Ofrecen ventajas sobre los giroscopios mecánicos tradicionales, así como sobre los tipos láser, ya que han reducido drásticamente Tamaño, peso y potencia (SWAP) requisitos. Permiten crear sistemas de navegación intercial de alta precisión en paquetes compactos y portátiles.

En el núcleo del HRG hay una capa delgada y hemisférica, típicamente elaborada a partir de cuarzo. Este caparazón está anclado en su base y puede resonar o vibrar de un modo específico cuando se excita adecuadamente. Así como una copa de vino produce un tono distintivo cuando se golpea, la carcasa hemisférica del HRG resuena a una frecuencia particular cuando es accionada por actuadores externos.

La carcasa debe ajustarse delicadamente para obtener el máximo rendimiento mediante técnicas como la erosión por haz de iones o la ablación con láser, de la misma manera que los radiocristales de cuarzo se sintonizan a una frecuencia específica. A continuación, el resonador se recubre con una película metálica ultrafina. Para iniciar la resonancia, se colocan estratégicamente actuadores electrostáticos en las proximidades del resonador. Algunos diseños utilizan un electrodo hemisférico dentro del resonador hemisférico, pero se pueden lograr diseños más compactos y económicos con electrodos planos más simples ubicados en el plano ecuatorial del resonador. Una vez activados, estos actuadores hacen que la carcasa hemisférica vibre en su modo resonante.

Ahora, cuando el HRG experimenta un movimiento angular, entra en juego la fuerza de Coriolis. A medida que el HRG gira, el patrón de vibración también gira, pero no tanto. El patrón de vibración cambiado puede ser captado por los sensores electrostáticos del giroscopio, que los convierten nuevamente en señales eléctricas. Al analizar estas señales, se puede determinar con precisión la velocidad angular del HRG.

Los HRG se han utilizado en una amplia variedad de contextos, desde naves espaciales hasta aviones comerciales y armas guiadas. Su tamaño compacto significa que se adaptan bien a plataformas móviles más compactas. Las cifras de rendimiento máximo son, hasta cierto punto, secretos clasificados, pero son órdenes de magnitud mejores que los populares giroscopios MEMS comúnmente utilizados en hardware de consumo.

Conclusión

Si está ansioso por diseñar un sistema de navegación que pueda operar en áreas donde las comunicaciones por satélite están denegadas, probablemente se encontrará explorando estas tecnologías avanzadas de giroscopio. Ya sea que esté enredado con un espectro de radio congestionado o operando bajo tierra o bajo el agua, estos giroscopios avanzados son clave para lograr el mínimo de deriva a lo largo del tiempo. No son baratos y ciertamente no son fáciles de construir, pero estos dispositivos se han convertido en elementos básicos en el mundo de los dispositivos de navegación inercial de alta gama.

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• Fuente: https://hackaday.com/2023/11/01/fancy-gyroscopes-are-key-to-radio-free-navigation/