科学と研究

FOGコンポーネントソリューション

慣性航法とは何ですか?

慣性航法の基礎

慣性航法の基本原理は、他の航法方法と類似しています。慣性航法は、初期位置、初期方位、各瞬間の運動方向と方位といった重要な情報を取得し、これらのデータを段階的に積分（数学的な積分演算に相当）することで、方位や位置といった航法パラメータを正確に決定します。

慣性航法におけるセンサーの役割

移動物体の現在の方位（姿勢）と位置情報を取得するために、慣性航法システムは、主に加速度計とジャイロスコープからなる一連の重要なセンサーを使用します。これらのセンサーは、慣性座標系における搬送体の角速度と加速度を測定します。その後、データは積分・時間処理され、速度と相対位置情報が導出されます。その後、この情報は初期位置データと併せて航法座標系に変換され、最終的に搬送体の現在位置が決定されます。

慣性航法システムの動作原理

慣性航法システムは、自己完結型の閉ループ航法システムとして動作します。母艦の航行中に発生する誤差を補正するために、リアルタイムの外部データ更新に依存しません。そのため、単一の慣性航法システムは、短時間の航法タスクに適しています。長時間の運用には、衛星航法システムなどの他の航法方法と組み合わせて、蓄積された内部誤差を定期的に補正する必要があります。

慣性航法の隠蔽性

天体航法、衛星航法、無線航法といった現代の航法技術の中で、慣性航法は自律航法として際立っています。慣性航法は外部環境に信号を発信せず、天体や外部信号にも依存しません。そのため、慣性航法システムは最高レベルの秘匿性を備えており、極めて高い機密性が求められる用途に最適です。

慣性航法の公式定義

慣性航法システム（INS）は、ジャイロスコープと加速度計をセンサーとして用いた航法パラメータ推定システムです。このシステムは、ジャイロスコープの出力に基づいて航法座標系を確立し、加速度計の出力を用いて航法座標系における船舶の速度と位置を計算します。

慣性航法の応用

慣性技術は、航空宇宙、航空、海洋、石油探査、測地学、海洋調査、地質掘削、ロボット工学、鉄道システムなど、多様な分野で幅広く応用されています。高度な慣性センサーの登場により、慣性技術は自動車産業や医療用電子機器など、様々な分野にその用途を広げています。こうした応用範囲の拡大は、様々な用途において高精度なナビゲーションと測位機能を提供する上で、慣性航法がますます重要な役割を果たしていることを裏付けています。

慣性誘導のコアコンポーネント：光ファイバージャイロスコープ

光ファイバージャイロスコープの紹介

慣性航法システムは、そのコアコンポーネントの精度と精密さに大きく依存しています。これらのシステムの性能を大幅に向上させたコンポーネントの一つが、光ファイバージャイロスコープ（FOG）です。FOGは、搬送機の角速度を驚異的な精度で測定する上で極めて重要なセンサーです。

光ファイバージャイロスコープの操作

FOGはサニャック効果の原理に基づいて動作します。これは、レーザービームを2つの別々の経路に分割し、コイル状の光ファイバループに沿って反対方向に移動させるものです。FOGが埋め込まれたキャリアが回転すると、2つのビームの移動時間の差は、キャリアの回転角速度に比例します。この時間遅延（サニャック位相シフト）を正確に測定することで、FOGはキャリアの回転に関する正確なデータを提供します。

光ファイバージャイロスコープの原理は、光検出器から光線を発射することです。この光線はカプラを通過し、一方の端から入射し、もう一方の端から出射します。その後、光ループを通過します。異なる方向から来た2本の光線がループに入り、周回することでコヒーレントな重ね合わせが完成します。戻ってきた光は再び発光ダイオード（LED）に入射し、その強度を検出します。光ファイバージャイロスコープの原理は一見単純なように見えますが、最大の課題は、2本の光線の光路長に影響を与える要因を排除することです。これは、光ファイバージャイロスコープの開発において直面する最も重要な課題の一つです。

1：スーパールミネッセントダイオード 2：光検出ダイオード

3.光源カプラ 4.ファイバーリングカプラ 5.光ファイバーリング

光ファイバージャイロスコープの利点

FOGは、慣性航法システムにおいて非常に貴重ないくつかの利点を備えています。その卓越した精度、信頼性、そして耐久性は高く評価されています。機械式ジャイロとは異なり、FOGには可動部品がないため、摩耗のリスクが軽減されます。さらに、衝撃や振動にも強いため、航空宇宙や防衛用途などの厳しい環境に最適です。

慣性航法における光ファイバージャイロスコープの統合

高精度で信頼性が高いことから、慣性航法システムへのFOGの導入がますます進んでいます。これらのジャイロスコープは、正確な方位と位置の測定に不可欠な角速度測定を提供します。FOGを既存の慣性航法システムに統合することで、特に極めて高い精度が求められる状況において、航法精度の向上というメリットが得られます。

慣性航法における光ファイバージャイロスコープの応用

FOGの導入により、慣性航法システムの用途は様々な分野に広がりました。航空宇宙分野では、FOGを搭載したシステムは、航空機、ドローン、宇宙船に高精度な航法ソリューションを提供しています。また、海上航行、地質調査、先進ロボット工学などにも広く利用されており、これらのシステムの性能と信頼性を向上させています。

光ファイバージャイロスコープのさまざまな構造バリエーション

光ファイバージャイロスコープには様々な構造構成があり、現在エンジニアリングの領域に入っている主なものは閉ループ偏波保持光ファイバージャイロスコープこのジャイロスコープの核となるのは偏波保持光ファイバループ偏波保持ファイバーと精密に設計されたフレームワークで構成されています。このループは、4回対称巻き方式と独自のシーリングゲルを組み合わせることで、固体ファイバーループコイルを形成します。