Ring Laser Gyrocompass

Κατά καιρούς ελλιμενίζονται στο Πειραιά μεγάλα και πολυτελή περιηγητικά πλοία (cruise ships) που όλοι, ναυτικοί και μη, τα θαυμάζουμε και μερικοί τα επισκέπτονται κιόλας. Συνακόλουθα με αυτήν την θαυμαστή μεγαλειότητα και πολυτέλεια τα πλοία αυτά συνήθως διακρίνονται και για τα εκλεπτυσμένης τεχνολογίας συστήματα με τα οποία είναι εξοπλισμένα. Κάποιος συνάδελφος και παλαιός συμμαθητής από την Σχολή της Ύδρας λοιπόν, που είχε επισκεφθεί ένα απ’ αυτά τα πλοία προ καιρού, μου ανέφερε πως αντί για την κλασσική γυροπυξίδα είδε μια άλλου, νέου τύπου πυξίδα που λειτουργούσε με κάποιον μηχανισμό που συμπεριελάμβανε ακτίνες laser. Ομολογώ πως η αναφορά αυτή με εξέπληξε και ζήτησα να μάθω πως ακριβώς λειτουργούσε. Δυστυχώς όμως ο συνάδελφος δεν ήταν σε θέση να με κατατοπίσει λεπτομερέστερα. Έτσι απεφάσισα να σημειώσω το θέμα και εν ευθέτω χρόνω να το ερευνήσω διότι αφενός μεν μου φάνηκε ακαδημαϊκά ενδιαφέρον, αφ’ ετέρου δε ένας ναυτίλος αξιωματικός οφείλει να γνωρίζει τις εξελίξεις σ’ αυτόν τον τομέα της ναυτικής επιστήμης μιας και μπορεί να κληθεί να κάνει χρήση ενός τέτοιου συστήματος εν πλω. Όταν λοιπόν βρήκα λίγο ελεύθερο χρόνο προέβην σε μια πρόχειρη έρευνα τα συνοπτικά αποτελέσματα της οποίας παραθέτω κάτωθι επ’ ωφελεία των συναδέλφων ναυτίλων αξιωματικών και ιδιαίτερα των νεοτέρων.

Το ακριβές όνομα αυτού του τύπου πυξίδας είναι Ring Laser Gyrocompass (RLG) ή επί το ελληνικότερο γυροπυξίδα ενισχυμένου φωτός εξ εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας[1] εν δακτυλίω. Το όνομα προδίδει εν μέρει και την αρχή λειτουργίας που διέπει τον μηχανισμό. Αναλυτικότερα η RLG βασίζεται στο φαινόμενο Sagnac που πήρε το όνομά του από τον γάλλο φυσικό Georges Sagnac που το περιέγραψε πλήρως περί τα μέσα της πρώτης δεκαετίας του περασμένου αιώνα.[2] Σύμφωνα μ’ αυτό αν δυο ακτίνες φωτός εκπεμφθούν προς αντίθετες κατευθύνσεις γύρω από έναν δακτύλιο ή πολύεδρο και καθοδηγηθούν έτσι ώστε να συναντηθούν και να συνδυασθούν τότε σχηματίζεται ένα στάσιμο κύμα (standing wave) πέριξ αυτού. Αν από τυχαίο σημείο παρατηρήσουμε αυτό το κύμα θα διαπιστώσουμε πως έχει μια συγκεκριμένη μορφή. Αν αφήσουμε το σημείο παρατήρησης να κινείται σε μια τροχιά που ταυτίζεται με την περίμετρο του δακτυλίου, τότε σε κάθε χρονική στιγμή από την αντίστοιχη νέα θέση του σημείου η κυματομορφή θα αλλάζει συναρτήσει της κατεύθυνσης και του ρυθμού αλλαγής του διανυόμενου διαστήματος ως προς τον χρόνο. Πρόκειται δηλαδή κατά τα φαινόμενα για ένα είδος αδρανειακού συστήματος ή, αν προτιμάτε, φωτογυροσκοπίου.

Η σχετική τεχνολογία για την επαλήθευση της θεωρίας του Sagnac είχε αναπτυχθεί ύστερα από μερικές δεκαετίες[3] όταν ο W. Macek της εταιρίας Sperry-Rand χρησιμοποίησε κάτοπτρα για την καθοδήγηση του φωτός πέριξ ενός ορθογωνίου. Φυσικά τα κάτοπτρα αυτά έπρεπε να εμφανίζουν ελάχιστη απορροφητικότητα και γενικά το όλο σύστημα μηδενικές απώλειες για την επίτευξη του βέλτιστου αποτελέσματος. Έτσι ανεπτύχθησαν πολυστρωματικά διηλεκτρικά κάτοπτρα μέσω των οποίων επιτεύχθηκε η απορρόφηση να μην ξεπερνά 0,0001 % και το όλο σύστημα εκτιμήθηκε πως πρέπει να λειτουργεί σε συνθήκες κενού. Αν και οι συσκευές κατόπτρων συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται στα εργαστήρια φυσικών ερευνών, η εφεύρεση των laser[4] σε συνδυασμό με αυτήν των οπτικών ινών συνετέλεσε στην παραγωγή αναβαθμισμένων γυροσκοπικών συστημάτων ενισχυμένου φωτός εξ εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας εν δακτυλίω[5] κατά πολύ μικρότερων διαστάσεων και μάζας και πολύ μεγαλύτερης πιστότητας.

 

 

Τα δυο κύματα με κοινή φάση

Τα δύο κύματα με μέγιστη διαφορά φάσεως (180ο)

Κυμα υπ’ αριθμ. 1

Κυμα υπ’ αριθμ. 2

 

Επανασυνδυασμένο κύμα

Εικών 1.

Πηγή: http://www.mathpages.com/rr/s2-07/2-07.htm.

 

Εικών 2.

 

Μια πυξίδα τύπου RLG, η βασική αρχή λειτουργίας της οποίας  όπως μνημονεύθηκε στηρίζεται στα προαναφερόμενα, λειτουργεί συνοπτικά ως εξής: μια γεννήτρια laser παράγει μια ακτίνα φωτός. Με την βοήθεια κατάλληλου μηχανισμού αυτή διασπάται σε δύο επί μέρους κύματα που διατρέχουν ένα δακτύλιο οπτικών ινών[6] με κοινή αφετηρία αλλά αντίθετες φορές. Δεδομένου ότι ο δακτύλιος ακινητεί αυτά τα δύο κύματα θα συναντηθούν με ταύτιση φάσης αφού έχουν διατρέξει ίσες αποστάσεις λόγω της κοινής ταχύτητας μετάδοσης.[7] Κατόπιν τα κύματα επανασυνδυάζονται και οδηγούνται σε μία έξοδο όπου υπάρχει ένας φωρατής[8] που ανιχνεύει το κοινό της φάσεως. Επειδή όμως ο δακτύλιος αποτελεί ακίνητο μέρος της συσκευής RLG που είναι σταθερά προσαρμοσμένη στο σκάφος, όταν το σκάφος στρέφει την πλώρη του περιστρέφεται και ο δακτύλιος στον χώρο. Συνεπώς οι διαδρομές που διανύουν τα δυο επί μέρους κύματα θα είναι άνισες[9] -μάλιστα ανάλογα με τον βαθμό περιστροφής[10]- και φτάνοντας στην έξοδο θα παρουσιάζουν διαφορά φάσης που σημαίνει ότι κατά την επανένωσή τους θα υπάρχει και μια διαφορά εύρους ανάλογα με την διαφορά φάσης.[11] Άρα η εκάστοτε διαφορά εύρους μπορεί να αντιστοιχηθεί σε έναν βαθμό περιστροφής. Αν λοιπόν μέσω των κατάλληλων διατάξεων επεξεργαστούμε το κύμα και το μετατρέψουμε σε ψηφιακή ένδειξη, μπορούμε να έχουμε την κατεύθυνση της πλώρης μας σε άμεση οπτική ένδειξη. Επιπλέον όντας ψηφιοποιημένο μπορεί να μεταδοθεί στα λοιπά ηλεκτρονικά ναυτιλιακά βοηθήματα όπως radar, arpa, ecdis, αυτόματο πλοηγό, στον επαναλήπτη του πηδαλιούχου και της αίθουσας πηδαλιουχήσεως εκτάκτου ανάγκης, στους επαναλήπτες διοπτεύσεων γεφύρας καθώς και στους τυχόν λοιπούς επαναλήπτες.

Τα πλεονεκτήματα της RLG συνίστανται στο ότι είναι μικρών διαστάσεων, μειωμένου βάρους, χωρίς πολύπλοκά κινητά μέρη και δεν παρουσιάζει ροπές αντίστασης κατά την αλλαγή προσανατολισμού (άρα και άνευ τριβών). Είναι επιπλέον χωρίς υγρά, ανθεκτική, φθηνή, ακριβείας και υψηλής πιστότητας. Το σημαντικότερο όμως συγκριτικό πλεονέκτημα έναντι των άλλων τύπων πυξίδων που αφορά άμεσα από επιχειρησιακής απόψεως τον ναυτίλο αξιωματικό συνίσταται στο ότι είναι τα μάλλα δυσπρόσβλητη σε μαγνητικές παρεμβολές και ανωμαλίες.

Εν τούτοις, ουδέν τέλειο στον κόσμο μας και συνεπώς εκτός από τα θετικά πλεονεκτήματα οι RLG παρουσιάζουν –αν και περιορισμένα- και μειονεκτήματα. Το σημαντικότερο ίσως είναι το φαινόμενο της σύζευξης των δύο κυμάτων στους πολύ χαμηλούς ρυθμούς περιστροφής (γνωστό αγγλιστί και ως lock-in ή phase-lock). Οφείλεται κυρίως στο ότι η ανακλαστική ικανότητα των κατόπτρων δεν είναι τέλεια λόγω εύλογης ανεπάρκειας είτε των επιχρίσεων είτε της επεξεργασίας της επιφάνειας του υποστρώματος. Αυτό επιφέρει μικροανωμαλίες στην ανάκλαση και δη μικροδιασπορές προς ποικίλες κατευθύνσεις. Στους χαμηλούς ρυθμούς στρέψης λοιπόν, τα προϊόντα αυτής της διασποράς λειτουργούν ως «γέφυρα» σύζευξής των δύο κυμάτων και ακολούθως οδηγούμεθα σε ένα «κλείδωμα» των δυο συχνοτήτων με αποτέλεσμα να μην ανιχνεύεται η περιστροφή. Ένεκα τούτου στον άξονα του δακτυλίου τοποθετείται ένας μηχανισμός περιστροφικής αμφιταλάντευσης ολόκληρου του φέροντος πλαισίου (συνήθως κατά δυο τάξεις μεγέθους ανώτερη από το μέγιστο περιθώριο σύζευξης) δια την κατ’ όσο δυνατόν λιγότερο παρουσία του φαινομένου. Επίσης, έχει αναφερθεί πως το διαφημιζόμενο από πολλούς ως απαράμιλλο πλεονέκτημα της αξιοπιστίας δεν αποτελεί παρά μια πλάνη.[12] Τουλάχιστόν αυτό τεκμαίρεται από τον μέσο χρόνο μεταξύ βλαβών (mean time between failures - MTBFs) των RLG αδρανειακών συστημάτων ναυσιπλοΐας που αποτιμάται στις 5000-10000 ώρες έναντι 600 ωρών των παραδοσιακών αδρανειακών συστημάτων ναυσιπλοΐας σχεδιάσεως της περασμένης δεκαετίας, τα οποία όμως διαθέτουν δεκαπλάσιο αριθμό ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.

Ας σημειωθεί τέλος εδώ, πως ένας μόνο δακτύλιος προσφέρει έναν βαθμό ελευθερίας. Αν τοποθετήσουμε τρεις δακτυλίους σε ορθοκανονική σύμπλεξη τότε επιτυγχάνουμε τρεις βαθμούς ελευθερίας, οπότε μαζί με κατάλληλο υπολογιστικό και λοιπό υποστηρικτικό σύστημα έχουμε να κάνουμε με ολοκληρωμένο σύστημα πλοήγησης. Τέτοιου είδους συστήματα χρησιμοποιούνταν εδώ και αρκετά χρόνια σε διάφορες δραστηριότητες όπως π.χ. για τα συστήματα ακριβούς σταθεροποίησης οπλικών μονάδων, τους αισθητήρες κατεύθυνσης δορυφορικών κεραιών, την αεροδιαστημική, τα αεροπλάνα,[13] αλλά ακόμα και σε συσκευές radar και πυρανίχνευσης (!). Πλέον χρησιμοποιούνται και στην εμπορική ναυτιλία ολοένα και περισσότερο και ίσως κάποτε να εκτοπίσουν τα παραδοσιακά αδρανειακά συστήματα.

Σχετική Βιβλιογραφία & ηλεκτρον. δικτυακοί τόποι:

- J. Optics (Paris), 1988, Vol. 19, Νo 3, p. 101-115.

- Smith S G, I986, Developments in inertial navigation, Rion, J. Navigation 39, 401-415.

- Aronowitz F., 1971, The Laser Gyro Laser Appl.1, l33-199.

- Bresman J.Cook H and Lysoby D 1979 Differential laser gyro development Navigation 24 (2), 153-159.

- NIMA, NP 9, 2002ed.,  p.96-97.

- A. D. King, B.Sc., F.R.I.N.,Marconi Electronic Systems Ltd., Inertial Navigation – Forty Years of Evolution,GEC

   Review, Vol. 13, No. 3, 1998, p.144 - 149.

- http://www.phys.canterbury.ac.nz/research/laser/.

- http://www.dimensionengineering.com/accelerometers.htm.

- http://www.fas.org/man/dod-101/navy/docs/fun/rlg.htm.

- http://www.kellerstudio.de/repairfaq/sam/laserlia.htm#liarlg.

Πλαίσιο κειμένου: Εικών 3: φωτογραφία μιας RLG.
Πηγή: A. D. King, B.Sc., F.R.I.N.,Marconi Electronic Systems Ltd.,GEC Review, Vol. 13, No. 3, 1998, p.145.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Ring_laser_gyro & relevant links.

- http://encyclopedia.laborlawtalk.com/Ring_laser_gyroscope.

- http://www.sperrymarine.northropgrumman.com/Products/Inertial_Navigation/mk39/.



[1] Η λέξη laser στα ελληνικά μεταφράζεται συνήθως ως… λέιζερ, και αυτό διότι στην πραγματικότητα δεν αποτελεί πρωτογενή λεκτικό τύπο, αλλά τεχνικό όρο και δη αγγλικό αρκτικόλεξο που προέρχεται από την φράση Light Amplification (by) Stimulated Emission (of) Radiation = L.A.S.E.R. = ενίσχυση φωτός εξ εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας. Πρόκειται στην ουσία για διάταξη παραγωγής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με συχνότητα που αντιστοιχεί στην περιοχή του ορατού φάσματος ή πλησίον αυτού. [Πρβλ. Τεγόπουλου–Φυτράκη, Ελληνικό Λεξικό (Ορθογραφικό, Ερμηνευτικό, Ετυμολογικό, Συνωνύμων, Αντιθέτων, Κυρίων Ονομάτων), εκδόσεις Αρμονία, Αθήνα 1993 – Η΄ Έκδοση, σελ. 418].

[2] Ήταν βέβαια περίπου δεκαπέντε έτη νωρίτερα όπου δυο επιστήμονες, ο O. Lodge και ο J. Larmor, μελετούσαν την δυνατότητα να μετρηθεί η περιστροφή μέσω ενός συμβολόμετρου.

[3] Πρβλ. Macek (W. M.) & Davis (D. T. M.). - 1963, Appl. Phys: Lett., Vol. 2, p.67.

[4] Ο λόγος που προτιμήθηκαν τα laser συνίσταται κυρίως στο ότι είναι σχεδόν μονοχρωματικά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται καλύτερη αντανάκλαση στα όποια κάτοπτρα της συσκευής και καλύτερη συμβολή κύματος εν αντιθέσει με την παρουσία πολλών χρωμάτων (όπως π.χ. στο φυσικό ηλιακό φως) με ποικίλες συχνότητες δια εν έκαστο.

[5] Ή αν προτιμάτε αγγλιστί: ring laser gyroscopes.

[6] NIMA, NP 9, 2002ed.,  p.96. Συνήθως όμως πρόκειται για ένα τρίγωνο που στις κορυφές του διαθέτει τα ανάλογα κάτοπτρα.

[7] Πρβλ. εικόνα 1, αριστερό σχεδιάγραμμα. Οι δυο κύκλοι με τα βέλη δεικνύουν την τροχιά που ακολουθούν τα δυο αντίρροπα κύματα και όπως είναι προφανές ή αφετηρία και το πέρας ταυτίζονται και οι διανυθείσες διαδρομές είναι ίσου μήκους.

[8] Φωρατής= ανιχνευτής (ιδίως) ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Εκ του αρχ. φωράω-= αντιλαμβάνομαι, ανευρίσκω, ανακαλύπτω, ανιχνεύω, τσακώνω, ερευνώ και συλλαμβάνω και πλειστάκις επί κλεπτών. Απαντάται και στην παθητική ως φωρμαι ως και τα νυν, π.χ. «εφωράθη περιφερόμενος υπόπτως», «ο κύριος βουλευτής φωράται αγνοών τον κανονισμό της βουλής». Εξ αυτού και το φώς, αλλά και το αυτόφωρο. Αγγλιστί: detector. [Πρβλ. Τεγόπουλου–Φυτράκη, Ελληνικό Λεξικό (Ορθογραφικό, Ερμηνευτικό, Ετυμολογικό, Συνωνύμων, Αντιθέτων, Κυρίων Ονομάτων), εκδόσεις Αρμονία, Αθήνα 1993 – Η΄ Έκδοση, σελ.835-836 /  Ιωάννου Δρ. Σταματάκου, Λεξικόν Της Αρχαίας Ελληνικής Γλώσσης, Βιβλιοπρομηθευτική, Αθήνα 1990, σελ. 1094-1095 / Κ.Δ.Καμαρινός (τέως Καθηγητής Σχολής Εμπορικής Ναυτιλίας Ύδρας), (1992), «Μέγα Αγγλοελληνικό & Ελληνοαγγλικό Λεξικό Ναυτικών, Ναυτιλιακών & Τεχνικών Όρων», εκδόσεις ναυτικών, τεχνικών & νομικών βιβλίων Ε.Ν. Σταυριδάκη, Πειραιάς, σελ. 242 (Αον μέρος), 339 (Βον μέρος].

[9] Το αποτέλεσμα του πειράματος Sagnac είχε αναφερθεί από μερικούς (π.χ. Ives 1938) και ως διάψευση της θεωρία της σχετικότητας. Ο συλλογισμός είναι ότι εάν η ταχύτητα του φωτός είναι μια σταθερά για τον παρατηρητή, κατόπιν για τον παρατηρητή στο περιστρεφόμενο δακτύλιο το φως πρέπει να πάρει τον ίδιο χρόνο να ταξιδέψει προς τις δυο διαδρομές και κανένα άλλο φαινόμενο δεν πρέπει να εμφανιστεί. Αυτό το επιχείρημα δεν ευσταθεί επειδή ο περιστρεφόμενος δακτύλιος είναι μια επιταχυνόμενη βάση αναφοράς, ενώ η σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός (c) ισχύει μόνο στα αδρανειακές βάσεις αναφοράς.

[10] Πρβλ. εικόνα 1, δεξιό σχεδιάγραμμα. Οι δυο κύκλοι με τα βέλη δεικνύουν την τροχιά που ακολουθούν τα δυο αντίρροπα κύματα και όπως είναι προφανές ή αφετηρία και το πέρας δεν ταυτίζονται και οι διανυθείσες διαδρομές δεν είναι ίσου μήκους. Συγκεκριμένα το δεξιόστροφο κύμα διανύει απόσταση ίση με την περίμετρο μειωμένη κατά το τόξο της περιφέρειας που αντιστοιχεί στην γωνία α και άρα κατά τι μικρότερη από ότι αν ο δακτύλιος ακινητούσε ενώ αντίστοιχα το αντίρροπο κύμα διανύει απόσταση αυξημένη κατά το τόξο της περιφέρειας που αντιστοιχεί στην γωνία α.

[11] Μας είναι γνωστό από την φυσική ότι κατά την συμβολή δυο κυμάτων το προκύπτον κυματοειδές εξαρτάται από τη συχνότητα (ή το μήκος κύματος), το εύρος (ή πλάτος) και την σχετική φάση των δυο κυμάτων. Εάν τα δύο κύματα έχουν το ίδιο εύρος  εο  και το ίδιο μήκος κύματος το προκύπτον κυματοειδές θα έχει το εύρος μεταξύ 0 και 2εο  ανάλογα με εάν τα δύο κύματα είναι συγχρονισμένης φάσης ή όχι.

[12] - A. D. King, B.Sc., F.R.I.N.,Marconi Electronic Systems Ltd., Inertial Navigation – Forty Years of Evolution,GEC Review, Vol. 13, No. 3, 1998, p.144: «Interestingly enough, the `reliability' advantage of RLGs has turned out to be a fallacy».

[13] Οι πρώτες εμπορικές εφαρμογές έγιναν από την Boeing που επέλεξε την Honeywell για να εξοπλίσει με αδρανειακά συστήματα αναφοράς τα μοντέλα των αεροπλάνων Boeing 767 και Boeing 757 στα 1978. Η δε ευρύτερη χρήση γενικεύτηκε μετά το 1980. Η περίπου δυο δεκαετιών καθυστέρηση (από την πρώτη εργασία του Macek) οφείλεται και στο γεγονός ότι μέχρι τότε η επιστήμη και η τεχνολογία των Η/Υ ήταν ακόμα στα πρώτα τους βήματα.