Marinebasis Zeebrugge
Gyrocompas, traagheidsnavigatie en satellietnavigatie
navigatie
Root server » TechTalk » Marine » Navigatie
-

-


Vanaf de aarde boven de noordpool gezien wijst een gyroscoop altijd naar dezelfde richting
Vanaf de aarde gezien wijst een gyroscoop die op de evenaar geplaatst is naar het oosten (om middernacht), naar omlaag (om 6 uur), naar het westen ('s middags) en naar boven (om 18 uur).
Maar vanuit de hemel gezien blijft de rotatieas van de gyroscoop altijd naar dezelfde richting wijzen.


Hetzelfde geldt met een gyroscoop aan boord van een schip: die wijst altijd naar dezelfde richting (ten opzichte van het universum), ongeacht de positie van het schip.


We gaan verder in ons voorbeeld met meerdere gyroscopen.
De gyroscoop B en E hebben een horizontale rotatieas (ten gevolge van het gewichtje op de cardanas dat de gyroscoop verplicht naar de horizon te wijzen). Het zijn gyrocompassen geworden.
Gyrocompas B wijst altijd naar het noorden, terwijl gyrocompas E altijd naar dezelfde richting aan de hemel wijst. Indien we gyroscoop D ombouwen tot een gyrocompas, zal die zijn rotatieas horizontaal plaatsen, en we komen terecht in de situatie E (maar die zal niet noodzakelijk naar dezelfde richting wijzen).
Indien we A en C ombouwen tot een gyrocompas, zal de rotatieas horizontaal worden (zoals voorgesteld door gyroscoop A links en gyroscoop C in het midden), en dan zal de rotatieas ombuigen om parallel te lopen met de rotatieas van de aarde. Aan de evenaar (gyrocompassen C) zijn beide rotatieassen parallel, maar meer noordelijk gelegen (gyrocompas A) zal de inclinatie horizontaal getrokken worden door het gewichtje aan de cardanas.

Waarom duurt het zo lang vooraleer de gyrocompas stabiel werkt na een inschakeling? De rotatie van de aarde om zijn as gebeurt in 24 uur. Het effekt ervan op het gyrocompas is geleidelijk en is pas merkbaar na een aantal minuten. Om instabiliteit te voorkomen ten gevolge van de bewegingen van het schip is het gyrocompas gedempt met een periode van ongeveer één uur. Het duurt meerdere periodes om het gyrocompas te stabiliseren. Hoe dichter bij de polen hoe trager de instelling gebeurt.

Sommige gyrocompassen werken samen met een magnetisch compas (van het type fluxgate) om de gyrocompas sneller naar de juiste richting te doen draaien. Eenmaal de gyrocompas gericht, wordt enkel nog het signaal van de gyrocompas gebruikt (die nauwkeuriger is).


De uitleg over de werking van een gyrocompas die hier gegeven is, is noodgedwongen beperkt. Zo'n gyrocompas zou niet voldoen in de praktijk, want die is te gevoelig voor de bewegingen van het schip. Compensatiemaatregelen moeten genomen worden om zijn werking meer betrouwbaar te maken.

Een voorbeeld is het gebruik van een dubbele (of viervoudige) kwikreservoir in plaats van het gewichtje. Het voordeel is dat het zwaartepunt ervan precies samenvalt met het zwaartepunt van de gyroscoop, zodat de bewegingen van het schip minder invloed hebben. De kwikreservoirs zijn met elkaar verbonden met een heel dunne leiding die voor de demping zorgt.


Gyrocompas gebruikt voor demonstratiedoeleinden

Inertial Measurement Unit

Dit artikel is een gevolg op het magnetisch compas. Het compas moet aanwezig zijn op het schip, maar wordt in de praktijk niet gebruikt. Voor de navigatie gebruikt men tegenwoordig het gyrocompas (voornamelijk op schepen), traagheidsnavigatie (vliegtuigen) en satellietnavigatie (voertuigen).

Gyrocompas

Een gyrocompas bestaat uit een gyroscoop die opgehangen is in een cardanophanging, zodat de gyroscoop vrij kan draaien ten opzichte van de behuizing. Er kan heelwat energie opgeslagen worden in een gyroscoop: met de opgeslagen cinetische energie heeft men zelfs bussen laten rijden !

De gyroscoop is een tol die heel snel draait (3.000 tot 24.000 toeren per minuut naargelang het model) en door de traagheid heeft de gyroscoop de neiging om altijd in dezelfde richting te draaien (rotatieas). Een werkende gyroscoop wijst altijd naar dezelfde richting (bijvoorbeeld een bepaalde ster). Ten opzichte van de aarde wijst de gyroscoop naar dezelfde richting éénmaal per 24 uur. Hoewel de gyroscoop altijd naar dezelfde richting wijst, is dit niet noordzakelijk het noorden.

De uitleg die hier gegeven wordt heeft betrekking op de eerste gyrocompassen. Meer technische informatie is te vinden op deze pagina: werking van een moderne gyrocompas.

We moeten hier een kleine ingreep uitvoeren om van de gyroscoop een gyrocompas te maken. We dwingen de volledige gyroscoop in één richting door een klein gewichtje onderaan de cardanas te plaatsen. De gyroscoop is nu horizontaal gestabiliseerd, zijn rotatieas kan enkel naar een punt aan de horizon wijzen. Indien ten gevolge van schokken of slingeringen de rotatieas niet horizontaal wijst, zal die door het gewichtje langzamerhand horizontaal getrokken worden. Een vrijheidsgraad is dus weggenomen. De beweging is beperkt, zoals die van een magnetisch compas.

We leggen de werking nu verder uit voor een gyrocompas die aan de evenaar werkt. Als de rotatieas van de gyroscoop en de rotatieas van de aarde in eenzelfde richting wijzen, dan is het systeem stabiel. Als de rotatieas van de gyroscoop echter naar een andere richting wijst, bijvoorbeeld het westen of het oosten, dan zal de gyroscoop altijd naar dezelfde richting willen wijzen, ongeacht de rotatie van de aarde. De gyroscoop probeert het horizontaal vlak te doen kantelen, maar krijgt tegenkanting van het gewichtje. De enige manier om het gewichtje niet te doen stijgen, is door zijn rotatieas te richten op die van de aarde.

Verder van de evenaar zijn er twee krachten in het spel: de gyroscoopwerking die de rotatieas evenwijdig met de rotatieas van de aardfe probeert te houden, en het gewichtje, die de gyroscoop dwingt een horizontale rotatieas aan te nemen. In de praktijk wijst de gyrocompas naar het geografisch noorden.

Ik heb het woord precessie bewust niet gebruikt. Het woord is wel juist, maar de uitleg die bij precessie gegeven wordt is moeilijk te begrijpen (precessie is verantwoordelijk voor de corioliskrachten, maar ook voor de eigenschappen van elementaire deeltjes (die ook een spin blijken te hebben)).

De gyrocompas geeft een druk die veel sterker is dan die van een magnetisch compas, maar die is toch onvoldoende om de repeaters te sturen. De druk van het gyrocompas wordt versterkt en doorgegeven aan een buitenkader (fantom) die meedraait en de kabels naar het gyrocompas vloeiend leidt. Zo ontstaan er geen parasitaire krachten die de meting zouden kunnen vervalsen.

Een gyrocompas is volkomen ongevoelig voor het scheepsmagnetisme, declinatie en inclinatiefouten en heeft een fout die lager dan 1° is. Maar een gyrocompas heeft uren nodig om zich te stabiliseren na de opstart. Plotse richtingwijzigingen en snelheidsveranderingen kunnen het gyrocompas volkomen in de war sturen (daarom wordt een gyroscompas niet in die vorm op vliegtuigen gebruikt). Het is een mechanisch precisieinstrument die regelmatig nagezien moet worden.

Een gyrocompas heeft uren nodig om zich te stabiliseren na een stroomonderbreking, daarom dat sommige toestellen uitgerust zijn met een electronisch magnetisch compas, die misschien minder nauwkeurig is, maar toch een aanwijzing kan geven terwijl de gyrocompas zich naar het noorden richt.

Zoals het magnetisch compas wordt de werking van het gyrocompas minder nauwkeurig bij de polen. In de nabijheid van de noord- of zuidpool (rotatieas van de aarde) wijst de gyrocompas permanent naar eenzelfde punt aan de hemel. De gyrocompas draait dus niet mee met de rotatie van de aarde: gezien vanaf de aarde "draait" het compas mee met de sterren. Bij breedtegraden boven de 70 heeft het gyrocompas heel veel tijd nodig om de juiste richting aan te wijzen en is zijn werking niet meer betrouwbaar.

Traagheidsnavigatie
(inertial navigation system)

Vliegtuigen, raketten en onderzeeboten gebruiken traagheidsnavigatie die de absolute beweging van een onderwerp kan bepalen door naast de richting (koers) ook de versnelling te meten. Maar ook navigatiesystemen gebruiken een sensor om de positie te bepalen als het GPS signaal weggevallen is (in tunnels, tussen twee hoge gebouwen, enz). Je zal waarschijnlijk al opgemerkt hebben dat je navigator de weg blijft aangeven, zelfs al rij je in een tunnel.

Een Inertial Measurement Unit is rechts weergegeven. Het aktieve gedeelte is is in een luchtledige stulp gemonteerd zodat er minder wrijving met de luchtmoleculen is. Daardoor is de meting zuiverder en blijft de gecumuleerde fout langere tijd aanvaardbaar.

Het signaal van een IMU zoals in een navigatiesysteem gebruikt wordt heeft een beperkte neuwkeurigheid in de tijd. Stel een auto die aan een gemiddelde snelheid van 90km per uur rijdt. Na 5 minuten (7.5km) is de fout opgelopen tot 850 meter.

Een navigatiesysteem dat in duikboten gebruikt wordt heeft een gecumuleerde fout van 30cm na 7.5km gevaren te hebben. Deze nauwkeurigheid is nodig omdat een duikboot niet regelmatig naar de oppervlakte kan komen om een plaatsbepalinng te doen.

Navigatiesatellieten

Dit systeem geeft de positie van een vaartuig door de afstand tussen de satellieten en het vaartuig te bepalen. De positie van de satellieten is nauwkeurig gekend. Men heeft het signaal van minstens 3 (en liefst 4) satellieten nodig om de positie te berekenen.

Om de koers (compaskoers) te bepalen is een bijkomend systeem nodig. Het schip beschikt over meerdere antennes en het tijdsverschil dat aanwezig is om het satellietsignaal op te vangen is een maat van de koers van het schip.

In tegenstelling met de andere systemen geeft een navigatiesysteem een exacte plaatsbepaling (die nooit verloopt), en indirect een compaskoers. Een compas geeft een koers en de plaatsbepaling wordt indirect berekend. Beide systemen zijn dus volkomen complementair.

De werking van het GPS wordt hier uitgelegd.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-