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GIROBUSSOLA A FIBRE OTTICHE

Istituto Tecnico Nautico "Artiglio" - Viareggio

Girobussole a fibre otticheIntroduzione
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Sono girobussole allo stato solido senza parti in movimento o in rotazione; nelle quali l'elemento sensibile è una bobina di fibre ottiche che è in grado di misurare la velocità di rotazione della Terra. Combinando tre di tali bobine e due sensori elettronici di livello si è capace di determinare la direzione del nord vero e del piano orizzontale per cui tali girobussole, oltre alla prora, forniscono informazioni sull'assetto della nave e le velocità angolari di rotazione attorno ai tre assi: longitudinale, trasversale e verticale (roll, pitch, rate of turn).
Il principio fisico utilizzato è noto come effetto Sagnac mentre la tecnologia impiegata è quella strapdown, che è già in uso da parecchio tempo nella navigazione aerea e con la quale i sensori di rotazione e di livello sono montati direttamente (strapped down) sul veicolo eliminando le limitazioni dei sistemi a sospensione cardanica.
L'elemento sensibile, ossia il giroscopio a fibre ottiche (FOG, Fiber Optic Gyro), ha trovato diverse altre applicazioni in sostituzione dei tradizionali giroscopi meccanici grazie alla loro resistenza agli urti e alle vibrazioni.

Principio fisico
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Il principio su cui si basa il funzionamento dei giroscopi ottici fu scoperto dal fisico francese Sagnac nel 1913 ed ha trovato inizialmente una sua applicazione nella costruzione di interferometri e successivamente nei giroscopi laser ad anello chiuso (RLG, Ring Laser Gyro).
Tale principio consiste nello sdoppiare un unico raggio luminoso in due diversi raggi, che viaggiano su un medesimo percorso ottico ad anello chiuso; ma in direzioni opposte: un raggio ruota in senso orario e l'altro in senso antiorario.Giroscopio laser ad anello
Nei giroscopi RLG i raggi rimbalzano fra vari specchi, come mostrato in Fig. 1; nei giroscopi FOG (a fibre ottiche) i raggi scorrono dentro un fascio di fibre ottiche lungo anche 5 Km ed avvolte in spire del diametro di alcuni centimetri.
Quando un raggio si propaga, la sua fase cambia continuamente con la distanza L percorsa e precisamente di 2pgreco radianti per ogni tratto pari alla lunghezza d'onda lambda;
si ha pertanto:

a = 2 pgreco L / lambda

con lambda = c / f, dove f è la frequenza del raggio luminoso e c è la velocità della luce.



Nel caso in cui il giroscopio sia fisso rispetto ad un sistema inerziale, i due raggi percorrono lo stesso cammino, anche se in direzioni opposte, arrivando nel ricevitore con la stessa fase.
Diversa è la situazione in cui l'intero sistema ruota attorno ad un asse passante per O (asse sensibile del giroscopio) e con velocità angolare W; in tal caso il percorso del raggio concorde con il verso di rotazione tende ad allungarsi, mentre quello dell'altro raggio tende ad accorciarsi per cui la differenza di fase F dei segnali che arrivano nel ricevitore non è più nulla, ma assume la seguente espressione:

Fi = Deltaalfa = (2 pgreco L D / clambda) W

dove: L = lunghezza del percorso ottico o delle fibre ottiche nei FOG
D = diametro del percorso o della bobina nei FOG
W = velocità angolare del giroscopio attorno al suo asse sensibile

Il fattore davanti alla velocità angolare W è chiamato fattore di scala ed è un indicatore della sensibilità dello strumento; più è alto tale fattore, più lo strumento è in grado di misurare velocità angolari molto basse, come ad esempio nel caso di quella terrestre. Come si vede il fattore F dipende dai dati geometrici del percorso ottico e precisamente, nel caso dei FOG, dalla lunghezza delle fibre ottiche e dal diametro delle spire.

Analizzando la precedente espressione si comprende come, a parità di volume, i giroscopi a fibre ottiche (FOG) siano molto più sensibili dei giroscopi laser (RLG), ad esempio, con un diametro D = 8 cm dell'elemento sensibile, si hanno percorsi ottici di alcuni Km (L = 1÷5 Km) nel primo caso e di soli 25 cm nel secondo caso (L = pgreco D).

Realizzazione pratica
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Schema semplificato di un giroscopio a fibre ottiche Pur essendo apparentemente semplice, un FOG è uno strumento altamente sofisticato che si è sempre più sviluppato a partire dal 1976, quando furono proposti i primi prototipi.
In Fig. 2 è riportato lo schema semplificato di un tale apparato. La sorgente luminosa può essere un LED (Light Emitting Diode) o un Laser, che emettono un fascio luminoso molto stretto e con lunghezze d'onda attorno ai 0,8 mm, appena al di fuori della banda della luce visibile.




Il fascio di luce viene diviso in due raggi da un apposito accoppiatore che ha anche il compito di ricombinare le onde di ritorno che hanno percorso il fascio di fibre ottiche in direzioni contrarie. La misura del segnale in uscita si effettua con un apposito fotodiodo, o altro sensore. la cui rappresentazione grafica è mostrata nel grafico di Fig. 3.



Corrente in uscita dal fotodiodo Quando non c'è rotazione del giroscopio, i due percorsi ottici sono uguali e quindi le due onde sono in fase, per cui il segnale in uscita dall'accoppiatore risulta massimo; al contrario, il segnale è nullo quando le due onde sono sfasate di ± p, ossia quando la differenza dei due percorsi è pari a mezza lunghezza d'onda (l/2). L'espressione dell'intensità del segnale in uscita dal fotodiodo è una funzione cosinusoidale della differenza di fase F e precisamente:

Iu = Io (1 + CosFi ) / 2

Tale rappresentazione mostra come il sistema descritto abbia una scarsa sensibilità alle basse velocità angolari (pendenza nulla nell'origine) e come esso non sia in grado di rilevare il verso di rotazione del giroscopio (curva simmetrica rispetto all'asse delle ordinate).



Schema di principio di un giroscopio a fibre ottiche

Per risolvere entrambi i problemi, ad un'estremità della bobina viene inserito un modulatore di fase piezoelettrico (Fig. 4) che modula i segnali luminosi producendo una variazione di fase variabile con legge sinusoidale e di ampiezza pgreco/2. Il segnale risultante, in uscita dal fotodiodo, viene inviato al demodulatore in uscita dal quale si ha una tensione funzione del seno di Fi:

Vu = Vo SinFi

La rappresentazione grafica del segnale in uscita dal demodulatore è riportata in Fig. 5, dove si vede che si ha la massima sensibilità nell'origine e che non si ha più l'ambiguità sul verso della rotazione.Tensione in uscita dal demodulatore
Il circuito di Fig. 4 mostra la configurazione minima adottata nei giroscopi ottici. Il primo accoppiatore direzionale ha la funzione di isolare il ricevitore dal trasmettitore, mentre il polarizzatore ha la funzione di limitare la luce ad un solo piano di polarizzazione.
Tali accorgimenti vengono adottati per rendere perfettamente identici i due percorsi ottici in assenza di rotazione (condizione di reciprocità).
Il secondo accoppiatore ha la funzione già descritta precedentemente, ossia di dividere il segnale ottico in due segnali di uguale intensità che percorrono la bobina in direzioni contrarie e quindi di ricombinare le due onde di ritorno in un unico segnale, che dopo aver riattraversato il polarizzatore, viene nuovamente diviso in due segnali uguali di cui uno viene inviato al fotodiodo.




Nella moderna tecnologia delle fibre ottiche i vari dispositivi indicati (polarizzatore, accoppiatore e modulatore) sono integrati in un unico componente ottico che presenta una struttura ad Y con un ingresso e due uscite. Su uno dei due rami è collocato il modulatore di fase che è costituito da due elettrodi distanziati di 10 - 20 mm ai quali viene inviato il segnale elettrico modulante. Il campo elettrico generato produce una variazione dell'indice di rifrazione del vetro e di conseguenza una variazione nella velocità di propagazione delle onde luminose che attraversano il componente ottico; la suddetta variazione causa un ritardo e quindi una variazione di fase. Struttura integrata di un accoppiatore con il modulatore di fase
Il sistema descritto è detto anche interferometro "open-loop" e presenta l'inconveniente di essere lineare soltanto per piccole variazioni di fase attorno all'origine (vedi Fig. 5); nel caso si debbano misurare grandi velocità angolari viene inserito un secondo modulatore di fase che crei uno sfasamento di ampiezza pari all'effetto Sagnac, ma di segno contrario. In tal modo, all'uscita del demodulatore, si ha un segnale sempre nullo e la misura dell'effetto Sagnac è data dalla misura della tensione applicata al secondo modulatore per compensare completamente il suddetto effetto. Tale versione è detta anche interferometro "closed-loop".




La funzione girobussola
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Il FOG non è in grado da solo di indicare la direzione del nord come nei normali giroscopi di tipo meccanico con sospensione cardanica; esso è soltanto in grado di misurare la componente della velocità angolare terrestre lungo il suo asse di sensibilità.
Per ottenere la funzione orientamento desiderata si montano tre giroscopi disposti lungo una terna di assi cartesiani X, Y e Z che può coincidere con i tre assi della nave; per definire il piano orizzontale si impiegano inoltre due sensori di livello. La tecnologia utilizzata è nota come strapdown, ossia con i giroscopi montati rigidamente su un piano fisso rispetto alla nave e non su un piano mantenuto costantemente orientato e parallelo rispetto ad un piano di riferimento come nella navigazione inerziale di tipo tradizionale. Componenti della velocità angolare terrestre
Nel caso di nave ferma, l'unica velocità angolare a cui è soggetta la nave è quella terrestre, per cui i tre giroscopi misurerebbero le seguenti componenti:

rox = roT Cosfi Cos Pv
roy = -roT Cosfi Sin Pv
roz = roT Sinfi

dove è facile calcolare l'angolo di prora Pv nel caso siano note la velocità roT = 2 pgreco / 23h 56m 04s e la latitudine fi (mediante un ricevitore satellitare GPS).


Nel caso di nave in moto con velocità VN si ha una velocità angolare supplementare pari a VN/RT diretta lungo -y (RT è il raggio della Terra). A questa velocità si sommano inoltre altre velocità angolari, continuamente variabili, dovute ai moti della nave attorno ai suoi tre assi e precisamente i moti di rollio, di beccheggio e d'alambardata (o guizzata).

rox = roT Cosfi Cos Pv + ror
roy = -roT Cosfi Sin Pv - VN / RT + rob
roz = roT Sinfi + roa

In realtà il problema viene risolto definendo inizialmente, alla partenza, un sistema cartesiano di riferimento con gli assi X0 e Y0 situati nel piano orizzontale, con X0 orientato verso Nord ed Y0 verso Est; inoltre l'asse Z0 coincide con la verticale. In tale situazione i segnali provenienti dai sensori di livello devono essere nulli.
Durante la navigazione, la continua misura delle tre velocità angolari e dell'assetto della nave mediante i sensori di livello consentono di definire l'esatto orientamento della terna cartesiana T (X, Y e Z) della nave rispetto alla terna di riferimento iniziale T0 (X0, Y0 e Z0). Un opportuno calcolatore provvede a convertire gli angoli di sfasamento dovuti all'effetto Sagnac nelle corrispondenti velocità angolari; integrando le velocità si ottengono gli angoli:

ai+1 = ai +zeta roi dt

da cui è poi possibile ricavare gli angoli di prora, di rollio, di beccheggio e di alambardata. Ogni ciclo di calcolo deve avere una durata molto breve, inferiore normalmente al tempo impiegato dai segnali luminosi a percorrere la bobina di fibre ottiche

(Deltat = L/c = 3 microsec per L = 1000 m).

Un esempio di girobussola
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L'LFK95 della Litef GMBH è la prima girobussola a fibre ottiche costruita nel mondo ed è stata progettata per soddisfare tutte le specifiche richieste dai regolamenti internazionali dell'IMO. Non avendo parti in movimento non richiede manutenzione, l'MTBF (Mean Time Between Failures) è maggiore di 20.000 ore.





Girobussola LFK95 dela LITEF GMBH
Come si vede dalla Fig. 8 l'elemento sensibile comprende sei moduli:

* l'unità di calcolo con le interfacce seriali per l'uscita dei dati elaborati;
* l'alimentatore;
* tre giroscopi a fibre ottiche;
* due sensori di livello.

Tutti i moduli sono montati su una piastra rigida che serve per il fissaggio dell'elemento alla struttura della nave con l'asse del FOG X montato possibilmente parallelo all'asse longitudinale della nave; nel caso in cui ciò non sia possibile, l'angolo di deviazione deve essere inserito nell'unità di calcolo come elemento correttivo. Ciascun FOG contiene:

* una bobina di fibre ottiche contenute in un involucro particolare per proteggerla dall'azione di eventuali campi magnetici;
* una scheda elettronica contenente la sorgente luminosa, il fotorivelatore ed un convertitore A/D (analogico-digitale) per convertite i segnali analogici del giroscopio in segnali digitali;
* una scheda contenente il microprocessore per elaborare i dati digitali in uscita dal giroscopio e per trasmetterli all'unità di calcolo mediante un collegamento seriale interno.

L'unità di calcolo contenuta nell'elemento sensibile comprende a sua volta:

* un elaboratore per i necessari calcoli di navigazione a partire dai segnali in uscita dai FOG e dai sensori di livello;
* un dispositivo di input/output per comunicare con i tre FOG e con i sistemi di utilizzazione esterni (tra cui il l'unità di visualizzazione dei dati);
* un convertitore A/D per leggere i dati dai sensori di livello.

L'unità di visualizzazione (Fig. 9), oltre che dall'elemento sensibile, può ricevere e mostrare dati in uscita da altre bussole giroscopiche di tipo tradizionale o da bussole magnetiche. In tale unità, mediante un apposito menu, è possibile selezionare le pagine con i dati che si desiderano mostrare (prora, angoli di rollio, di beccheggio e velocità angolare di rotazione).
Display della SR 2100 - Litton Marine





La procedura di avviamento è molto semplice e può essere in modalità automatica o manuale; nel primo caso i valori di latitudine e di velocità vengono ricevuti direttamente dai sensori di posizione (GPS) e di velocità (solcometro); nel secondo caso i dati devono essere inseriti manualmente.
I tempi necessari per l'orientamento iniziale sono di 1 min per un'elongazione minore di 1° e di 30¸40 min per angoli minori di 0,01°.
Gli errori sulla prora sono dati da 0,7 · Sec fi gradi fino a latitudini di ±75° .

Riferimenti
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* Litef GMBH - LFK95 Fibre Optic Gyro Compass
* C.Plath SR 2100 Gyrocompass
* Mercator GPS Systems SP 2000 - Fiber Optic Gyro Compass
* Bennett e altri, Fiber optic rate gyros as replacement for mechanical gyros, KVH Industries and American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc, 1998
* KVH Industries - Frequently Asked Questions / Glossary of Terms
* KVH E·Core FOG - A New Spin On Fiber Optic Gyros
* Pavlath and Suman, Fiber-Optic Gyroscopes: advances and future, Navigation USA, Vol. 31-2, 1984
* Matthews, Utilization of Fiber-Optic Gyros in inertial measurement units, Navigation USA, Vol. 37-1, 1990
* Mark ed altri, A rate integrating Fiber Optic Gyro, Navigation USA, Vol. 38-4, 1991-92

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