eng
Выпуск #6/2024
А. О. Синельников, Н. В. Тихменев, А. А. Ушанов, В. М. Медведев
Современное состояние и тенденции развития инерциальных навигационных систем на кольцевых лазерных гироскопах
Современное состояние и тенденции развития инерциальных навигационных систем на кольцевых лазерных гироскопах
Просмотры: 1733
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.6.450.466
В статье обобщены и проанализированы сведения по высококачественным инерциальным навигационным системам, выпускаемым серийно. Представлена динамика рынка высококачественных инерциальных систем и гироскопических датчиков за последние 10 лет. Показано доминирование инерциальных систем на кольцевых лазерных гироскопах для краткосрочной и автономной навигации. Рассмотрены преобладающие конструктивно-технологические решения современных кольцевых лазерных гироскопов. Отмечена общность зарубежных приборов по оптико-физической схеме. Выявлены ключевые разработчики лазерных инерциальных систем. Показан тренд на уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости и энергопотребления кольцевых лазерных гироскопов при сохранении требуемой точности и устойчивости к внешним воздействиям.
В статье обобщены и проанализированы сведения по высококачественным инерциальным навигационным системам, выпускаемым серийно. Представлена динамика рынка высококачественных инерциальных систем и гироскопических датчиков за последние 10 лет. Показано доминирование инерциальных систем на кольцевых лазерных гироскопах для краткосрочной и автономной навигации. Рассмотрены преобладающие конструктивно-технологические решения современных кольцевых лазерных гироскопов. Отмечена общность зарубежных приборов по оптико-физической схеме. Выявлены ключевые разработчики лазерных инерциальных систем. Показан тренд на уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости и энергопотребления кольцевых лазерных гироскопов при сохранении требуемой точности и устойчивости к внешним воздействиям.
Теги: инерциальная навигационная система инерциальный датчик инерциальный измерительный блок кольцевой лазерный гироскоп оптический гироскоп резонансный гироскоп
Современное состояние и тенденции развития инерциальных навигационных систем на кольцевых лазерных гироскопах
А. О. Синельников 1, 2, Н. В. Тихменев 1, А. А. Ушанов 1, В. М. Медведев 1
АО «ГосНИИП», Москва, Россия
Российский университет дружбы народов (РУДН), Москва, Россия
В статье обобщены и проанализированы сведения по высококачественным инерциальным навигационным системам, выпускаемым серийно. Представлена динамика рынка высококачественных инерциальных систем и гироскопических датчиков за последние 10 лет. Показано доминирование инерциальных систем на кольцевых лазерных гироскопах для краткосрочной и автономной навигации. Рассмотрены преобладающие конструктивно-технологические решения современных кольцевых лазерных гироскопов. Отмечена общность зарубежных приборов по оптико-физической схеме. Выявлены ключевые разработчики лазерных инерциальных систем. Показан тренд на уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости и энергопотребления кольцевых лазерных гироскопов при сохранении требуемой точности и устойчивости к внешним воздействиям.
Ключевые слова: инерциальная навигационная система, инерциальный измерительный блок, инерциальный датчик, кольцевой лазерный гироскоп, оптический гироскоп, резонансный гироскоп
Статья поступила: 25.05.2024
Статья принята: 14.08.2024
Введение
Высококачественные гироскопические датчики и акселерометры являются ключевыми компонентами современных инерциальных навигационных систем (ИНС), систем стабилизации, позиционирования и многих других. В настоящий момент инерциальные системы нашли широкое применение в различных областях, включая гражданскую и коммерческую авиацию, аэрокосмическую отрасль, морскую навигацию, военную технику, робототехнику, промышленность и сельское хозяйство [1].
Появление кольцевых лазерных гироскоп (КЛГ) в 60‑х годах ХХ века открыло возможность построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [2]. Лазерные БИНС оказались более дешевыми и простыми в производстве в сравнении с платформенными ИНС на механических гироскопах [1, 3].
Сегодня КЛГ занимают лидирующую позицию в наиболее востребованном сегменте рынка инерциальных датчиков со стабильностью смещения нуля в диапазоне 0,1–0,001 °/ч [1]. Основными преимуществами КЛГ перед другими типа гироскопов являются высокая стабильность масштабного коэффициента и смещения нуля, а также надежность и устойчивость к внешним воздействиям.
Современные научные исследования в области лазерной гироскопии направлены на снижение случайного дрейфа нуля, а также совершенствование алгоритмов и методов обработки выходных данных [4, 5]. Высокое развитие технологии производства КЛГ способствует непрерывному улучшению эксплуатационных характеристик ИНС на их основе.
Следуя глобальным технологическим трендам по минимизации критерия SWaP+C (размер, вес, мощность и цена), производители выпускают новые модификации КЛГ более компактными, энергоэффективными и дешевыми. Это открывает перспективы применения КЛГ в новых областях, включая дроны, автономные транспортные средства и портативные устройства.
Данное исследование представляет аналитический обзор современного состояния рынка высококачественных ИНС и тенденций развития лазерной гироскопии на фоне высокой конкуренции с другими технологиями серийных инерциальных датчиков, прежде всего волоконно-оптических (ВОГ), твердотельных волновых (ТВГ) и микроэлектромеханических гироскопов (МЭМС).
Динамика рынка высококачественных ИНС и гироскопических датчиков
Последнее время в открытых источниках информации стала появляться информация не только о планируемых разработках и готовых ИНС и гироскопических датчиков, но и статистические данные об объемах производства и продаж [6–11]. Наиболее полная информация приводится в аналитических обзорах французской фирмы Yole Developpement [6–9]. На основе имеющихся данных проведем анализ динамики рынка высококачественных ИНС и гироскопических датчиков за последние 10 лет.
На рис. 1 представлена эволюция рынка инерциальных технологий в денежном объеме с учетом его сегментации по типам гироскопических технологий [6, 8]. Как видно (см. рис. 1), в период с 2011 по 2019 годы полный объем рынка увеличился в 2,5 раза с 1,29 млрд долл. до 3,24 млрд долл. в 2019 году. За этот временной период произошли и другие значительные изменения. Сократился объем ИНС на механических гироскопах (МГ) до не учитываемой величины. В 3,8 раза упал объем ИНС на динамически настраиваемых гироскопах (ДНГ). Вопреки позитивным прогнозам ИНС на ВОГ не смогли вытиснить с рынка КЛГ и постепенно сдают свои позиции. постепенно сдают свои позиции (их рост составляет 2,2 раза, что ниже среднего рыночного показателя). Наибольший прирост в 5,2 раза наблюдается в технологии ТВГ, но сам объем производства почти в 10 раз меньше, чем КЛГ. Лидерами по темпам роста являются МЭМС и КЛГ. При этом объем лазерных ИНС в денежном выражении составляет более половины всего мирового рынка высококачественных инерциальных систем.
В результатах отчета [9] отмечено сокращение на 1% общего денежного объема рынка высококачественных гироскопический датчиков до 3,1 млрд долл. Это явление вызвано последствиями эпидемии COVID‑19, которые наиболее сильно повлияли на сектор гражданской авиации. В частности, это отразилось на объемах производства авиационных лазерных ИНС. В настоящий момент кризис в данной области успешно преодолен. По прогнозам объем рынка КЛГ должен превысить 1 млрд долл. к 2030 году [10, 11], что наглядно продемонстрировано на рис. 2.
Рассмотрим основные сферы применения высококачественных инерциальных датчиков и систем. В зависимости от стабильности смещения нуля и области применения высококачественные гироскопические системы разделяют на четыре категории, как показано в табл. 1.
На рис. 3 приводится распределение денежного объема рынка гироскопических технологий по перечисленным категориям в 2011–2019 годы [6, 8]. Из представленных диаграмм видно укрепившееся за последнее время доминирующее положение КЛГ в наиболее востребованных классах применений. Особенно выражен рост влияния лазерных ИНС в сегменте систем длительной автономной и краткосрочной навигации. Здесь КЛГ значительно потеснили ВОГ и другие типы гироскопов. В условиях жесткой конкуренции на рынке высококачественных инерциальных систем это стало возможно благодаря непрерывному совершенствованию технологии, оптимизации конструкции и режима работы КЛГ.
Конструктивное исполнение и особенности технологии современных КЛГ
Рассмотрим подробнее основные научно-технологические решения, лежащие в основе КЛГ. Несмотря на достигнутый уровень технологии, синхронизация частот встречных волн в кольцевом резонаторе остается критическим фактором, определяющим облик и предельную чувствительность современных КЛГ [4, 12]. Причиной этого явления является рассеяние и поглощение излучения на отражателях и других селектирующей элементах резонатора [2]. Поэтому критерием разделения инерциальных лазерных датчиков по конструктивно-технологическим особенностям служит способ создания начальной разности частот встречных волн (частотной подставки). В серийных КЛГ для вывода рабочей точки из зоны нечувствительности используются следующие способы:
Долгое время усилия разработчиков КЛГ были направлены на создание частотной подставки с помощью различных немеханических способов. Наибольших успехов в данном направлении достигла американская корпорация Northrop Grumman, серийно выпускающая четырехчастотный КЛГ типа Zero-Lock (ZLG) с неплоским оптическим контуром и фарадеевским невзаимным элементом. ZLG является разработкой известной фирмы Litton (США), поглощенной Northrop Grumman. Это прибор с периметром 18 см имеет стабильность смещения нуля 0,003 °/ч и используется Northrop Grumman в авиационной ИНС типа LTN‑101 c погрешностью определения координат в автономном режиме 1,1–1,5 км / ч (рис. 4). К 2013 году (суммарно за 20 лет производства) было выпущено более 50 000 лазеров типа ZLG и 8 000 систем на их основе [13, 14]. Данные показатели являются невысоким и не влияют на рынок высококачественных ИНС. В обзоре [8] компания Northrop Grumman более не упоминается как разработчик КЛГ.
Другой известной разработкой фирмы Litton является четырехзеркального одноосного КЛГ на виброподвесе LG‑8028. Серийное производство кольцевые лазеров с периметром от 8 до 34 см, построенные по данной оптико-физической схеме, освоено многими предприятиями по всему миру (рис. 5).
Сегодня на рынке лазерных ИНС доминирующе положение занимает международная корпорация Honeywell, выбравшая направление совершенствования технологии КЛГ при максимальной простоте конструкции резонатора [8–11]. Этот подход позволил реализовать основополагающий принцип лазерной гироскопии: чем меньше световые потери в резонаторе, тем выше точность КЛГ. Как показала практика, усложнение конструкции лазера, необходимое для перехода к немеханической частотной подставке, приводит к увеличению световых потерь, снижению точности, усложнению технологии и удорожанию прибора.
Несмотря на заметные различия в конкретных конструктивных решениях приборы всех ведущих зарубежных производителей имеют общие технические решения, обеспечивающие реализацию КЛГ:
Перечисленные базовые принципы построения КЛГ тесно связаны между собой. Любые изменения приводят к существенным изменениям всей совокупности точностных, эксплуатационных, массогабаритных характеристик, а также технологии и стоимости.
Представленная оптико-физическая схема сформировалась в результате 60‑летнего развития лазерной гироскопии в условиях острой конкуренции с другими перспективными научно-технологическими решениями [6–8]. На КЛГ построенных по данной схеме решаются все навигационные задачи для различных управляемых объектов, работающих в условиях жестких механических и климатических воздействий [8–11, 15].
Несмотря на кажущуюся простоту оптико-физической схемы и конструкции современных КЛГ, только достигнутый уровень ряда технологий позволяет одновременно обеспечить высокие точностные и эксплуатационные характеристики этих приборов. К этим технологиям относятся:
Кратко рассмотрим особенности технологических процессов производства КЛГ.
Технология напыления зеркал является ключевой и в значительной степени определяет точностные и эксплуатационные характеристики КЛГ. Коэффициент отражения лучших современных зеркал составляет 99,999% и даже 99,9999%, то есть суммарные потери на рассеяние и поглощение достигают 1–10 млн−1 [4]. На сегодняшний день для нанесения отражающих тонкопленочных покрытий используется технология ионно-лучевого распыления. Ионно-лучевое распыление характеризуется высокой стабильностью процесса нанесения отражающих тонкопленочных покрытий и обеспечивает структуру покрытий по качеству не уступающую структуре монолитного материала. Именно освоение технологии ионно-лучевого напыления зеркал совместно с метрологическим обеспечением позволило достичь высокой точности и надежности современных КЛГ.
Технология полирования сверхгладких подложек зеркал является критически важной для обеспечения сверхмалых световых потерь зеркал. Подходящие для зеркал гладкие поверхности характеризуются среднеквадратичной шероховатостью, которая составляет менее 0,1 нм для лучших современных образцов [4]. Работы по повышению качества полирования ведутся всеми производителями лазерной оптики. Уже сейчас удается сделать подложки для зеркал с потерями до нескольких ppm, что обеспечивает КЛГ на виброподвесе стабильность смещения нуля 0,001 °/ч.
Технология термовакуумной обработки кольцевых резонаторов имеет много общего с технологией обработки газонаполненных электронных ламп, в которой высокая степень обезгаживания и надежность обеспечиваются температурой вакуумного прогрева до 450 °С. Важным моментом является надежная герметизация резонатора, которая контролируется на операции вакуумного обезгаживания, а также при последующих технологических тренировках. По контролю герметичности прогнозируются показатели долговечности лазера [16]. В настоящий момент новые ионно-лучевые технологии сняли ограничение на температуру вакуумного прогрева, а многослойные диэлектрические зеркала, получаемые по данной технологии выдерживают более 500 °C.
В современной технологии изготовления КЛГ зеркала и другие детали лазера соединяют методом оптического контакта. Его качество определяется прочностью и обеспечением вакуумной плотности соединения в течение длительного времени. Для лазерных гироскопов срок сохраняемости составляет десятки лет [17].
На сегодняшний день все КЛГ для среднесрочной и автономной навигации изготавливаются из стеклокерамики со сверхнизким ТКЛР до 1 · 10−7 °/С (астроситалл СО‑115М, Zerodur, Cervit, ClearCeram и др.) [18, 19]. Такие материалы имеют низкую газопроницаемость для He и Ne. Это обеспечивает среднюю продолжительность работы прибора (MTBF) от 104 до 105 часов и позволяет сохранять высокие точностные характеристики КЛГ при автономной работе в условиях жестких температурных воздействий.
Ключевые производители лазерных ИНС и их основные изделия
Рассмотрим продукцию производителей лазерных ИНС, оказывающих существенное влияние на рынок высококачественных гироскопических датчиков и систем (табл. 1 и 2).
Ключевые производители лазерных ИНС сосредоточены в трех крупных регионах: Северная Америка, Европа и Азия. По данным зарубежных аналитиков [9], крупнейшими мировыми производителями КЛГ и лазерных ИНС являются следующие компании: Honeywell, Kearfott, EMCORE (США); Safran, Thales (Франция); Raytheon Anschütz (Германия); IAI (Израиль); CASC China Aerospace, NAVTECH INC, JAE, StarNeto (Китай); НИИ «Полюс», ПАО «МИЭА» (Россия) и др.
Лидером отрасли долгие годы остается фирма Honeywell, на долю которой приходится 34% денежного объема рынка всех гироскопических датчиков [9, 10]. Флагманскими приборами фирмы Honeywell являются:
На основе этих технологий фирмой Honeywell изготовлена линейка лазерных ИНС и ИИБ, применяемых для большинства навигационных приложений (рис. 6) [20–25]. Наиболее востребованными являются системы типа HG9900 и HG1700 [22, 23]. Объем выпуска этих ИНС составляет не менее 80 000 единиц в год.
В отличие от прецизионного КЛГ GG1320 концепция прибора GG‑1308 направлена на достижение минимальных показателей SWaP+C в ущерб точностным характеристикам. При схожести оптико-физической схемы данных лазеров существуют принципиальные технологические различия. В качестве конструкционного материла в GG‑1308 используется недорогое оптическое стекло ВК‑7. Вакуумные соединения выполнены с помощью стеклоцемента. Это позволяет достичь минимальной площади соединения, значительно меньшей, чем при соединении оптическим контактом. В столь малом внутрирезонаторном объеме нет места для геттера и ограничено пространство для активной среды, поэтому в конструкцию введен дополнительный полый катод малой площади, а вакуумная технология имеет свои особенности. Самой востребованной системой в тактическом классе точности является ИНС HG1700 на базе гироскопов GG‑1308. Известно, что к 2023 году было продано более 450 000 этих систем. Это обстоятельство способствовало разработке ИНС HG5700 для среднесрочной навигации на основе технологии КЛГ GG1320 и концепции системы HG1700 с минимальным показателем SWaP для данного сегмента [21].
Компания EMCORE специализируется на системах позиционирования, наведения и наземной навигации военного назначения типа PNU/UPNU, DRU-H-R и др. (рис. 7) [26, 27]. Эти системы построены на базе высокоточного КЛГ RL‑34 фирмы L3 Harris Space & Navigation со стабильностью смещения нуля 0,001 °/ч (см. рис. 5).
Используя принципы минимизации SWaP+C фирма Kearfott производит линейку компактных лазерных ИНС серии KN и MILNAV, и инерциальных измерительных блоков (ИИБ) типа KI‑4902 и KI‑4921 на базе трехосных монолитных КЛГ типа T16-B и T24-B для морских, наземных и аэрокосмических применений, различающихся по точностным и массогабаритным характеристикам (рис. 8) [28].
Лидером европейского рынка является корпорация Safran, которая выпускает линейку высококачественных лазерных ИНС востребованных в авиации, морской навигации и некоторых военных применениях [29, 30]. Наиболее популярными системами являются Sigma‑95L и Sigma‑95N (рис. 9). Sigma 95L – это легкая и компактная ИНС на базе четырехзеркальных КЛГ типа GLC‑16, предназначенная для самолетов, вертолетов, и адаптированная к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). Благодаря встроенному GPS-приемнику, Sigma 95L может использоваться либо как автономная система ориентации и навигации, либо как интегрированная БИНС. Sigma‑95N предназначена для
самых сложных применений, требующих высокой точности навигации и наведения.
В систему могут быть интегрированы все доступные датчики, включая GPS, ГЛОНАСС, систему воздушных данных и т. д. Чувствительными элементами Sigma‑95N являются трехзеркальные КЛГ типа GLS‑32 близкие по оптико-физической схеме к приборам фирмы Honeywell.
Другая французская компания THALES производит интегрированные ИНС TopAxyz и TOTEM High Land на базе трехосных КЛГ в едином моноблоке типа PiXYZ‑22 (рис. 10) [31] Данные ИНС обеспечивают навигационный уровень точности в условиях внешних воздействий для воздушных, морских, наземных платформ гражданского и военного назначения.
Израильский концерн IAI специализируется на разработке компактных ИИБ TRL‑16m тактического класса точности для систем стабилизации и ориентации различного назначения, автономных гибридных ИНС TMAPS и гирокомпасов NSF-R для наземной военной техники. Эти системы базируются на КЛГ с трехзеркальным резонаторами и периметром 9 см (рис. 11) [32].
Немецкие компании Raytheon Anschütz и iMAR Navigation & Control выпускают высококачественные ИНС на КЛГ GG1320 для оборонных, воздушных, военно-морских, подводных, надводных и железнодорожных приложений (рис. 12) [33, 32].
На ежегодной международной выставке «Фотоника. Мир лазеров и оптики» китайскими разработчиками регулярно представляются оптические элементы кольцевых лазеров [35]. Так в 2023 году фирмой Xi’an SNP Precision Optics Co., Ltd. были представлены корпуса резонаторов и оптические зеркала. Корпуса различаются своими размерами, предназначены для плоских одноосных и объемных трехосных резонаторов КЛГ (рис. 13). Например, корпус 90 LGC (Laser Gyro Cavity) имеет габаритный размер 9 см стороны четырехугольника, в котором размещается резонатор со стороной 7 см и периметром 28 см.
Российские производители ПАО «МИЭА» и НИИ «Полюс» освоили производство КЛГ с виброподвесом и магнитооптической подставкой на эффекте Зеемана для ИНС для широкого спектра применений. Достигнутый уровень оптических технологий и производственные мощности отечественных разработчиков соответствуют европейскому.
Заключение
Рынок КЛГ переживает значительный рост, обусловленный растущим спросом на точные и надежные навигационные системы в различных приложениях, таких как автономные транспортные средства, БПЛА, аэрокосмическая промышленность и многих других.
Возрос спрос в оборонном и аэрокосмическом секторах, вызванный модернизацией военной техники и потребностью в высокоточных системах навигации и наведения для самолетов, ракет и спутников [36].
Для решения подавляющего большинства навигационных задач сегодня наиболее востребованными чувствительными элементами являются КЛГ на виброподвесе с линейной поляризацией излучения.
Современные технологические достижения привели к разработке компактных и легких КЛГ с улучшенными характеристиками [37]. Миниатюризация и интеграция расширили их применение в различных отраслях.
REFERENCES
Peshekhonov V. G. The Outlook for Gyroscopy. Gyroscopy Navig. 2020;11:193–197. https://doi.org/10.1134/S2075108720030062.
Пешехонов В. Г. Перспективы развития гироскопии. Гироскопия и навигация. 2020;28(2) (109):3–10. DOI: 10.7463/0517.0001153.
Loukianov D., Rodolff R., Sorg H, Stieler B. Optical Gyros and their Application (Gyroscopes Optiques et leurs Applications). RTO AGARDograph 339, 1999.
Peshekhonov V. G. High-Precision Navigation Independently of Global Navigation Satellite Systems Data. Gyroscopy Navig. 2022;13:1–6. https://doi.org/10.1134/S2075108722010059.
Пешехонов В. Г. Высокоточная навигация без использования информации глобальных навигационных спутниковых систем. Гироскопия и навигация. 2022; 30 № 1 (116): 3–11. DOI: 10.17285/0869‑7035.0084.
Chopra K. N. Optoelectronic Gyroscopes. Progress in Optical Science and Photonics. Springer. Singapore. 2021; 11. https://doi.org/10.1007/978-981-15-8380-3.
Zhenfang Fan, Baolun Yuan, Hui Luo, Zhongqi Tan, Suyong Wu, and Shaomin Hu. Random walk reduction in dithered ring laser gyroscope. Opt. Express. 2023;31: 7959–37967. https://doi.org/10.1364/OE.500916.
Robin L., Perlmutter M. Gyroscopes and IMUs for Defence Aerospace and Industrial. Report by Yole Development. 2012.
Troadec C., Girardin G., Perlmutter M. High-End Inertial Sensors for Defense, Aerospace & Industrial. Market and Technology. Report by Yole Development. 2015.
Damianos D., Girardin G. High-End Inertial Sensors for Defense, Aerospace & Industrial Applications. Market and Technology Report by Yole Development. 2020.
Damianos D. High-End Inertial Sensors. Market and Technology Product Brochure by Yole Development. 2022.
Global Inertial navigation systems (INS) market (2023–2028). Report by Mordor Intelligence. 2023. http://www.mordorintelligence.com.
Ring Laser Gyroscope Market Report: Trends, Forecast and Competitive Analysis to 2030. 2024. https://www.researchandmarkets.com/reports/5928625/ring-laser-gyroscope-market-report-trends#rela4–5030627.
Choi W. S., Shim K. M., Kim C. J., Park B. Y. Effective Frequency Lock-In Changes of a Ring Laser Gyroscope Due to Harmonic Components of Dithering Signal. IEEE Sensors Letters. 2023; 7(5): 1–4., May 2023. Art no. 1500504, doi: 10.1109/LSENS.2023.3267886.MINS 2. Marine Inertial Navigation System. Raytheon Anschütz Gmb H. www.raytheon-anschuetz.com.
Northrop Grumman Delivers 8,000th LN‑100 Inertial Navigation System. Photo Release. 2013. http://media.globenewswire.com/noc/mediagallery.html?pkgid=18902.
Tazartes D. An historical perspective on inertial navigation systems. 2014 International Symposium on Inertial Sensors and Systems (INERTIAL). Laguna Beach. CA. USA. 2014; 1–5. doi: 10.1109/ISISS.2014.6782505.
Sinelnikov A. O., Tikhmenev N. V., Ushanov A. A., Nazarov S. I. Interaction of the Dither of a Ring Laser Gyroscope with an External Mechanical Disturbance. IEEE Xplore. 2023;1–4. doi: 10.23919/ICINS51816.2023.10168376.
Kuznetsov E., Golyaev Yu., Kolbas Yu., Kofanov Yu., Kuznetsov N., Vinokurov Yu., Soloveva T. Thermal computer modeling of laser gyros at the design stage: a promising way to improve their quality and increase the economic efficiency of their development and production. Optical and Quantum Electronics. 2021; 53(10); 596: 1–15. DOI: 10.1007/s11082‑021‑03253‑8
Sinelnikov A. O., Zubarev Y. A., Tereshenko D. A. Rapid Persistence Testing of Ring Laser Gyroscopes. 2023. 30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). Saint Petersburg. Russian Federation. 2023: 1–3. doi: 10.23919/ICINS51816.2023.10168522.
Naumov A. S., Sigaev V. N. Transparent Lithium-Aluminum-Silicate Glass-Ceramics (Overview). Glass Ceram 2024;80:491–499. https://doi.org/10.1007/s10717-024-00639-4.
Наумов А. С., Сигаев В. Н. Прозрачные ситаллы на основе литиевоалюмосиликатной системы. Стекло и керамика. 2023; 96(11): 54–63. DOI: 10.14489/glc.2023.11.pp.054‑063.
Sinelnikov A. O., Zapotylko N. R., Zubarev Y. A. et al. Aspects of Sitall SO‑115M Use in the Fabrication of the Optical Components of He–Ne Ring Lasers. Glass Ceram, 2023. https://doi.org/10.1007/s10717-023-00579-5
Синельников А. О., Запотылько Н. Р., Зубарев Я. А., Катков А. А. Особенности применения ситалла СО‑115М при изготовлении оптических деталей кольцевых He-Ne лазеров. Стекло и керамика. 2023;96(5)(1145): 3–13. DOI 10.14489/glc.2023.05.pp.003–013.
Miniature Inertial Measurement Unit. Proven performer for satellite and deep-space-probe applications. 2021. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
HG5700 Inertial Measurement Unit. 2021. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
HG1700 Inertial Measurement Unit. 2022. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
HG9900 Inertial Measurement Unit. 2018. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
HG2170 Laseref™ Marine Inertial Navigation System. 2016. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
LASEREF IV retrofit program. 2022. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
DRU-H-R. Dynamic Reference Unit-Hybrid Replacement. Datasheet. 2024. EMCORE. http://www.emcore.com.
PNU/UPNU- with Commercial GPS Receiver. Position and Navigation Unit/Universal Position and Navigation Unit. Datasheet. 2024. EMCORE. http://www.emcore.com.
Inertial Measurement Units. KG-IMU-KIT. Datasheet. 2020. Kearfott. www.kearfott.com.
Sokolov A. V., Tarasovskij D. O., YAshnikova O. M. Analiz opyta kompanii Safran v oblasti tochnogo priborostroeniya. Morskoe oborudovanie i tekhnologii. 2023; 1(34):98–113.
Соколов А. В., Тарасовский Д. О., Яшникова О. М. Анализ опыта компании Safran в области точного приборостроения. Морское оборудование и технологии. 2023;1(34): 98–113.
The European leader in aerospace navigation. Setting the global standard for 70 years. 2017. Safran Electronics & Defense. http://www.safran-electronics-defens.com.
http://www.thalesgroup.com.
http://www. iai.co.il.
MINS 2 Marine Inertial Navigation System. http://www.raytheon-anschuetz.com.
iPRENA-M-H Precision Inertial/GNSS/VMS based Navigation System. Technical Data. 2023. iMAR Navigation. http://www.imar-navigation.de.
Istomina N. L., Karyakina L. V. Domestic Photonics Market. Photonics Russia. 2024. 18(3): 218–223. DOI: 10.22184/1993‑7296.Fros.2024.18.3.218.223.
Liapidevskiy A. V., Zhmud V. A. The main research in foreign electronics and photonics. Automatics & Software Enginery. 2023; 2 (44): 100–150.
Dell ‘Olio F., Natale T., Wang Y. C., Hung Y. J. Miniaturization of Interferometric Optical Gyroscopes: A Review in IEEE Sensors Journal. 2023;23(24): 29948–29968. 15 Dec.15, 2023. doi: 10.1109/JSEN.2023.3327217.
ОБ АВТОРАХ
Синельников Антон Олегович – к. т.н, нач. лаб., АО «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения»; доц. каф. «Нанотехнологии и микросистемная техника», ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы», Москва, Россия.
Область научных интересов: лазерная гироскопия, инерциальные навигационные системы, газовые лазеры.
ORCID 0000-0002-5579-3509
Тихменев Николай Вадимович – к. ф.-м.н, нач. отд., АО «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения», Москва, Россия.
Область научных интересов: лазерная гироскопия, вакуумные и оптические технологии инерциальных датчиков, технологическое обеспечение надежности.
Ушанов Александр Александрович – вед. инж.-электроник, АО «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения», Москва, Россия.
Область научных интересов: лазерная гироскопия, инерциальные навигационные системы, системный анализ.
ORCID 0009-0009-3703-9981
Медведев Владимир Михайлович – д. т.н, проф., ген. директор АО «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения», Москва, Россия.
Область научных интересов: техническая диагностика, организационно-технические вопросы управления эксплуатацией изделий.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
А. О. Синельников 1, 2, Н. В. Тихменев 1, А. А. Ушанов 1, В. М. Медведев 1
АО «ГосНИИП», Москва, Россия
Российский университет дружбы народов (РУДН), Москва, Россия
В статье обобщены и проанализированы сведения по высококачественным инерциальным навигационным системам, выпускаемым серийно. Представлена динамика рынка высококачественных инерциальных систем и гироскопических датчиков за последние 10 лет. Показано доминирование инерциальных систем на кольцевых лазерных гироскопах для краткосрочной и автономной навигации. Рассмотрены преобладающие конструктивно-технологические решения современных кольцевых лазерных гироскопов. Отмечена общность зарубежных приборов по оптико-физической схеме. Выявлены ключевые разработчики лазерных инерциальных систем. Показан тренд на уменьшение массогабаритных характеристик, снижение стоимости и энергопотребления кольцевых лазерных гироскопов при сохранении требуемой точности и устойчивости к внешним воздействиям.
Ключевые слова: инерциальная навигационная система, инерциальный измерительный блок, инерциальный датчик, кольцевой лазерный гироскоп, оптический гироскоп, резонансный гироскоп
Статья поступила: 25.05.2024
Статья принята: 14.08.2024
Введение
Высококачественные гироскопические датчики и акселерометры являются ключевыми компонентами современных инерциальных навигационных систем (ИНС), систем стабилизации, позиционирования и многих других. В настоящий момент инерциальные системы нашли широкое применение в различных областях, включая гражданскую и коммерческую авиацию, аэрокосмическую отрасль, морскую навигацию, военную технику, робототехнику, промышленность и сельское хозяйство [1].
Появление кольцевых лазерных гироскоп (КЛГ) в 60‑х годах ХХ века открыло возможность построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) [2]. Лазерные БИНС оказались более дешевыми и простыми в производстве в сравнении с платформенными ИНС на механических гироскопах [1, 3].
Сегодня КЛГ занимают лидирующую позицию в наиболее востребованном сегменте рынка инерциальных датчиков со стабильностью смещения нуля в диапазоне 0,1–0,001 °/ч [1]. Основными преимуществами КЛГ перед другими типа гироскопов являются высокая стабильность масштабного коэффициента и смещения нуля, а также надежность и устойчивость к внешним воздействиям.
Современные научные исследования в области лазерной гироскопии направлены на снижение случайного дрейфа нуля, а также совершенствование алгоритмов и методов обработки выходных данных [4, 5]. Высокое развитие технологии производства КЛГ способствует непрерывному улучшению эксплуатационных характеристик ИНС на их основе.
Следуя глобальным технологическим трендам по минимизации критерия SWaP+C (размер, вес, мощность и цена), производители выпускают новые модификации КЛГ более компактными, энергоэффективными и дешевыми. Это открывает перспективы применения КЛГ в новых областях, включая дроны, автономные транспортные средства и портативные устройства.
Данное исследование представляет аналитический обзор современного состояния рынка высококачественных ИНС и тенденций развития лазерной гироскопии на фоне высокой конкуренции с другими технологиями серийных инерциальных датчиков, прежде всего волоконно-оптических (ВОГ), твердотельных волновых (ТВГ) и микроэлектромеханических гироскопов (МЭМС).
Динамика рынка высококачественных ИНС и гироскопических датчиков
Последнее время в открытых источниках информации стала появляться информация не только о планируемых разработках и готовых ИНС и гироскопических датчиков, но и статистические данные об объемах производства и продаж [6–11]. Наиболее полная информация приводится в аналитических обзорах французской фирмы Yole Developpement [6–9]. На основе имеющихся данных проведем анализ динамики рынка высококачественных ИНС и гироскопических датчиков за последние 10 лет.
На рис. 1 представлена эволюция рынка инерциальных технологий в денежном объеме с учетом его сегментации по типам гироскопических технологий [6, 8]. Как видно (см. рис. 1), в период с 2011 по 2019 годы полный объем рынка увеличился в 2,5 раза с 1,29 млрд долл. до 3,24 млрд долл. в 2019 году. За этот временной период произошли и другие значительные изменения. Сократился объем ИНС на механических гироскопах (МГ) до не учитываемой величины. В 3,8 раза упал объем ИНС на динамически настраиваемых гироскопах (ДНГ). Вопреки позитивным прогнозам ИНС на ВОГ не смогли вытиснить с рынка КЛГ и постепенно сдают свои позиции. постепенно сдают свои позиции (их рост составляет 2,2 раза, что ниже среднего рыночного показателя). Наибольший прирост в 5,2 раза наблюдается в технологии ТВГ, но сам объем производства почти в 10 раз меньше, чем КЛГ. Лидерами по темпам роста являются МЭМС и КЛГ. При этом объем лазерных ИНС в денежном выражении составляет более половины всего мирового рынка высококачественных инерциальных систем.
В результатах отчета [9] отмечено сокращение на 1% общего денежного объема рынка высококачественных гироскопический датчиков до 3,1 млрд долл. Это явление вызвано последствиями эпидемии COVID‑19, которые наиболее сильно повлияли на сектор гражданской авиации. В частности, это отразилось на объемах производства авиационных лазерных ИНС. В настоящий момент кризис в данной области успешно преодолен. По прогнозам объем рынка КЛГ должен превысить 1 млрд долл. к 2030 году [10, 11], что наглядно продемонстрировано на рис. 2.
Рассмотрим основные сферы применения высококачественных инерциальных датчиков и систем. В зависимости от стабильности смещения нуля и области применения высококачественные гироскопические системы разделяют на четыре категории, как показано в табл. 1.
На рис. 3 приводится распределение денежного объема рынка гироскопических технологий по перечисленным категориям в 2011–2019 годы [6, 8]. Из представленных диаграмм видно укрепившееся за последнее время доминирующее положение КЛГ в наиболее востребованных классах применений. Особенно выражен рост влияния лазерных ИНС в сегменте систем длительной автономной и краткосрочной навигации. Здесь КЛГ значительно потеснили ВОГ и другие типы гироскопов. В условиях жесткой конкуренции на рынке высококачественных инерциальных систем это стало возможно благодаря непрерывному совершенствованию технологии, оптимизации конструкции и режима работы КЛГ.
Конструктивное исполнение и особенности технологии современных КЛГ
Рассмотрим подробнее основные научно-технологические решения, лежащие в основе КЛГ. Несмотря на достигнутый уровень технологии, синхронизация частот встречных волн в кольцевом резонаторе остается критическим фактором, определяющим облик и предельную чувствительность современных КЛГ [4, 12]. Причиной этого явления является рассеяние и поглощение излучения на отражателях и других селектирующей элементах резонатора [2]. Поэтому критерием разделения инерциальных лазерных датчиков по конструктивно-технологическим особенностям служит способ создания начальной разности частот встречных волн (частотной подставки). В серийных КЛГ для вывода рабочей точки из зоны нечувствительности используются следующие способы:
- механическими крутильные колебания всего оптического моноблока, реализуемые различными устройствами (виброподвесы, торсионы и др.);
- магнитооптическое расщепление частот встречных волн на основе невзаимных эффектов Фарадея или Зеемана.
Долгое время усилия разработчиков КЛГ были направлены на создание частотной подставки с помощью различных немеханических способов. Наибольших успехов в данном направлении достигла американская корпорация Northrop Grumman, серийно выпускающая четырехчастотный КЛГ типа Zero-Lock (ZLG) с неплоским оптическим контуром и фарадеевским невзаимным элементом. ZLG является разработкой известной фирмы Litton (США), поглощенной Northrop Grumman. Это прибор с периметром 18 см имеет стабильность смещения нуля 0,003 °/ч и используется Northrop Grumman в авиационной ИНС типа LTN‑101 c погрешностью определения координат в автономном режиме 1,1–1,5 км / ч (рис. 4). К 2013 году (суммарно за 20 лет производства) было выпущено более 50 000 лазеров типа ZLG и 8 000 систем на их основе [13, 14]. Данные показатели являются невысоким и не влияют на рынок высококачественных ИНС. В обзоре [8] компания Northrop Grumman более не упоминается как разработчик КЛГ.
Другой известной разработкой фирмы Litton является четырехзеркального одноосного КЛГ на виброподвесе LG‑8028. Серийное производство кольцевые лазеров с периметром от 8 до 34 см, построенные по данной оптико-физической схеме, освоено многими предприятиями по всему миру (рис. 5).
Сегодня на рынке лазерных ИНС доминирующе положение занимает международная корпорация Honeywell, выбравшая направление совершенствования технологии КЛГ при максимальной простоте конструкции резонатора [8–11]. Этот подход позволил реализовать основополагающий принцип лазерной гироскопии: чем меньше световые потери в резонаторе, тем выше точность КЛГ. Как показала практика, усложнение конструкции лазера, необходимое для перехода к немеханической частотной подставке, приводит к увеличению световых потерь, снижению точности, усложнению технологии и удорожанию прибора.
Несмотря на заметные различия в конкретных конструктивных решениях приборы всех ведущих зарубежных производителей имеют общие технические решения, обеспечивающие реализацию КЛГ:
- в качестве отражателей резонатора используются многослойные диэлектрические зеркала;
- усиление He-Ne газовой активной среды обеспечивается тлеющим разрядом постоянного тока;
- генерация лазерного излучения осуществляется на длине световой волны λ = 0,632 мкм с линейной поляризацией;
- вывод КЛГ из зоны захвата осуществляется реверсивным вращением лазерного резонатора вокруг оси чувствительности (крутильные колебания на вибрационном подвесе);
- стабилизация периметра резонатора КЛГ производится с помощью пьезокерамического привода;
- конструкционные элементы резонатора изготавливаются из оптической стеклокерамики с минимальным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и газопроницанием.
Перечисленные базовые принципы построения КЛГ тесно связаны между собой. Любые изменения приводят к существенным изменениям всей совокупности точностных, эксплуатационных, массогабаритных характеристик, а также технологии и стоимости.
Представленная оптико-физическая схема сформировалась в результате 60‑летнего развития лазерной гироскопии в условиях острой конкуренции с другими перспективными научно-технологическими решениями [6–8]. На КЛГ построенных по данной схеме решаются все навигационные задачи для различных управляемых объектов, работающих в условиях жестких механических и климатических воздействий [8–11, 15].
Несмотря на кажущуюся простоту оптико-физической схемы и конструкции современных КЛГ, только достигнутый уровень ряда технологий позволяет одновременно обеспечить высокие точностные и эксплуатационные характеристики этих приборов. К этим технологиям относятся:
- технология напыления отражающих диэлектрических зеркал;
- технология полирования прецизионных подложек зеркал ЛГ;
- технология электровакуумной обработки кольцевых резонаторов;
- технология оптической сборки;
- технология создания стеклокерамических материалов с низким ТКЛР.
Кратко рассмотрим особенности технологических процессов производства КЛГ.
Технология напыления зеркал является ключевой и в значительной степени определяет точностные и эксплуатационные характеристики КЛГ. Коэффициент отражения лучших современных зеркал составляет 99,999% и даже 99,9999%, то есть суммарные потери на рассеяние и поглощение достигают 1–10 млн−1 [4]. На сегодняшний день для нанесения отражающих тонкопленочных покрытий используется технология ионно-лучевого распыления. Ионно-лучевое распыление характеризуется высокой стабильностью процесса нанесения отражающих тонкопленочных покрытий и обеспечивает структуру покрытий по качеству не уступающую структуре монолитного материала. Именно освоение технологии ионно-лучевого напыления зеркал совместно с метрологическим обеспечением позволило достичь высокой точности и надежности современных КЛГ.
Технология полирования сверхгладких подложек зеркал является критически важной для обеспечения сверхмалых световых потерь зеркал. Подходящие для зеркал гладкие поверхности характеризуются среднеквадратичной шероховатостью, которая составляет менее 0,1 нм для лучших современных образцов [4]. Работы по повышению качества полирования ведутся всеми производителями лазерной оптики. Уже сейчас удается сделать подложки для зеркал с потерями до нескольких ppm, что обеспечивает КЛГ на виброподвесе стабильность смещения нуля 0,001 °/ч.
Технология термовакуумной обработки кольцевых резонаторов имеет много общего с технологией обработки газонаполненных электронных ламп, в которой высокая степень обезгаживания и надежность обеспечиваются температурой вакуумного прогрева до 450 °С. Важным моментом является надежная герметизация резонатора, которая контролируется на операции вакуумного обезгаживания, а также при последующих технологических тренировках. По контролю герметичности прогнозируются показатели долговечности лазера [16]. В настоящий момент новые ионно-лучевые технологии сняли ограничение на температуру вакуумного прогрева, а многослойные диэлектрические зеркала, получаемые по данной технологии выдерживают более 500 °C.
В современной технологии изготовления КЛГ зеркала и другие детали лазера соединяют методом оптического контакта. Его качество определяется прочностью и обеспечением вакуумной плотности соединения в течение длительного времени. Для лазерных гироскопов срок сохраняемости составляет десятки лет [17].
На сегодняшний день все КЛГ для среднесрочной и автономной навигации изготавливаются из стеклокерамики со сверхнизким ТКЛР до 1 · 10−7 °/С (астроситалл СО‑115М, Zerodur, Cervit, ClearCeram и др.) [18, 19]. Такие материалы имеют низкую газопроницаемость для He и Ne. Это обеспечивает среднюю продолжительность работы прибора (MTBF) от 104 до 105 часов и позволяет сохранять высокие точностные характеристики КЛГ при автономной работе в условиях жестких температурных воздействий.
Ключевые производители лазерных ИНС и их основные изделия
Рассмотрим продукцию производителей лазерных ИНС, оказывающих существенное влияние на рынок высококачественных гироскопических датчиков и систем (табл. 1 и 2).
Ключевые производители лазерных ИНС сосредоточены в трех крупных регионах: Северная Америка, Европа и Азия. По данным зарубежных аналитиков [9], крупнейшими мировыми производителями КЛГ и лазерных ИНС являются следующие компании: Honeywell, Kearfott, EMCORE (США); Safran, Thales (Франция); Raytheon Anschütz (Германия); IAI (Израиль); CASC China Aerospace, NAVTECH INC, JAE, StarNeto (Китай); НИИ «Полюс», ПАО «МИЭА» (Россия) и др.
Лидером отрасли долгие годы остается фирма Honeywell, на долю которой приходится 34% денежного объема рынка всех гироскопических датчиков [9, 10]. Флагманскими приборами фирмы Honeywell являются:
- цифровой КЛГ GG1320 с периметром 15 cм, массой 0,5 кг и стабильностью смещения нуля до 0,0035 °/ч;
- миниатюрный КЛГ GG1308 с периметром 6 см, массой 65 г и дрейфом нуля 1 °/ч.
На основе этих технологий фирмой Honeywell изготовлена линейка лазерных ИНС и ИИБ, применяемых для большинства навигационных приложений (рис. 6) [20–25]. Наиболее востребованными являются системы типа HG9900 и HG1700 [22, 23]. Объем выпуска этих ИНС составляет не менее 80 000 единиц в год.
В отличие от прецизионного КЛГ GG1320 концепция прибора GG‑1308 направлена на достижение минимальных показателей SWaP+C в ущерб точностным характеристикам. При схожести оптико-физической схемы данных лазеров существуют принципиальные технологические различия. В качестве конструкционного материла в GG‑1308 используется недорогое оптическое стекло ВК‑7. Вакуумные соединения выполнены с помощью стеклоцемента. Это позволяет достичь минимальной площади соединения, значительно меньшей, чем при соединении оптическим контактом. В столь малом внутрирезонаторном объеме нет места для геттера и ограничено пространство для активной среды, поэтому в конструкцию введен дополнительный полый катод малой площади, а вакуумная технология имеет свои особенности. Самой востребованной системой в тактическом классе точности является ИНС HG1700 на базе гироскопов GG‑1308. Известно, что к 2023 году было продано более 450 000 этих систем. Это обстоятельство способствовало разработке ИНС HG5700 для среднесрочной навигации на основе технологии КЛГ GG1320 и концепции системы HG1700 с минимальным показателем SWaP для данного сегмента [21].
Компания EMCORE специализируется на системах позиционирования, наведения и наземной навигации военного назначения типа PNU/UPNU, DRU-H-R и др. (рис. 7) [26, 27]. Эти системы построены на базе высокоточного КЛГ RL‑34 фирмы L3 Harris Space & Navigation со стабильностью смещения нуля 0,001 °/ч (см. рис. 5).
Используя принципы минимизации SWaP+C фирма Kearfott производит линейку компактных лазерных ИНС серии KN и MILNAV, и инерциальных измерительных блоков (ИИБ) типа KI‑4902 и KI‑4921 на базе трехосных монолитных КЛГ типа T16-B и T24-B для морских, наземных и аэрокосмических применений, различающихся по точностным и массогабаритным характеристикам (рис. 8) [28].
Лидером европейского рынка является корпорация Safran, которая выпускает линейку высококачественных лазерных ИНС востребованных в авиации, морской навигации и некоторых военных применениях [29, 30]. Наиболее популярными системами являются Sigma‑95L и Sigma‑95N (рис. 9). Sigma 95L – это легкая и компактная ИНС на базе четырехзеркальных КЛГ типа GLC‑16, предназначенная для самолетов, вертолетов, и адаптированная к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). Благодаря встроенному GPS-приемнику, Sigma 95L может использоваться либо как автономная система ориентации и навигации, либо как интегрированная БИНС. Sigma‑95N предназначена для
самых сложных применений, требующих высокой точности навигации и наведения.
В систему могут быть интегрированы все доступные датчики, включая GPS, ГЛОНАСС, систему воздушных данных и т. д. Чувствительными элементами Sigma‑95N являются трехзеркальные КЛГ типа GLS‑32 близкие по оптико-физической схеме к приборам фирмы Honeywell.
Другая французская компания THALES производит интегрированные ИНС TopAxyz и TOTEM High Land на базе трехосных КЛГ в едином моноблоке типа PiXYZ‑22 (рис. 10) [31] Данные ИНС обеспечивают навигационный уровень точности в условиях внешних воздействий для воздушных, морских, наземных платформ гражданского и военного назначения.
Израильский концерн IAI специализируется на разработке компактных ИИБ TRL‑16m тактического класса точности для систем стабилизации и ориентации различного назначения, автономных гибридных ИНС TMAPS и гирокомпасов NSF-R для наземной военной техники. Эти системы базируются на КЛГ с трехзеркальным резонаторами и периметром 9 см (рис. 11) [32].
Немецкие компании Raytheon Anschütz и iMAR Navigation & Control выпускают высококачественные ИНС на КЛГ GG1320 для оборонных, воздушных, военно-морских, подводных, надводных и железнодорожных приложений (рис. 12) [33, 32].
На ежегодной международной выставке «Фотоника. Мир лазеров и оптики» китайскими разработчиками регулярно представляются оптические элементы кольцевых лазеров [35]. Так в 2023 году фирмой Xi’an SNP Precision Optics Co., Ltd. были представлены корпуса резонаторов и оптические зеркала. Корпуса различаются своими размерами, предназначены для плоских одноосных и объемных трехосных резонаторов КЛГ (рис. 13). Например, корпус 90 LGC (Laser Gyro Cavity) имеет габаритный размер 9 см стороны четырехугольника, в котором размещается резонатор со стороной 7 см и периметром 28 см.
Российские производители ПАО «МИЭА» и НИИ «Полюс» освоили производство КЛГ с виброподвесом и магнитооптической подставкой на эффекте Зеемана для ИНС для широкого спектра применений. Достигнутый уровень оптических технологий и производственные мощности отечественных разработчиков соответствуют европейскому.
Заключение
Рынок КЛГ переживает значительный рост, обусловленный растущим спросом на точные и надежные навигационные системы в различных приложениях, таких как автономные транспортные средства, БПЛА, аэрокосмическая промышленность и многих других.
Возрос спрос в оборонном и аэрокосмическом секторах, вызванный модернизацией военной техники и потребностью в высокоточных системах навигации и наведения для самолетов, ракет и спутников [36].
Для решения подавляющего большинства навигационных задач сегодня наиболее востребованными чувствительными элементами являются КЛГ на виброподвесе с линейной поляризацией излучения.
Современные технологические достижения привели к разработке компактных и легких КЛГ с улучшенными характеристиками [37]. Миниатюризация и интеграция расширили их применение в различных отраслях.
REFERENCES
Peshekhonov V. G. The Outlook for Gyroscopy. Gyroscopy Navig. 2020;11:193–197. https://doi.org/10.1134/S2075108720030062.
Пешехонов В. Г. Перспективы развития гироскопии. Гироскопия и навигация. 2020;28(2) (109):3–10. DOI: 10.7463/0517.0001153.
Loukianov D., Rodolff R., Sorg H, Stieler B. Optical Gyros and their Application (Gyroscopes Optiques et leurs Applications). RTO AGARDograph 339, 1999.
Peshekhonov V. G. High-Precision Navigation Independently of Global Navigation Satellite Systems Data. Gyroscopy Navig. 2022;13:1–6. https://doi.org/10.1134/S2075108722010059.
Пешехонов В. Г. Высокоточная навигация без использования информации глобальных навигационных спутниковых систем. Гироскопия и навигация. 2022; 30 № 1 (116): 3–11. DOI: 10.17285/0869‑7035.0084.
Chopra K. N. Optoelectronic Gyroscopes. Progress in Optical Science and Photonics. Springer. Singapore. 2021; 11. https://doi.org/10.1007/978-981-15-8380-3.
Zhenfang Fan, Baolun Yuan, Hui Luo, Zhongqi Tan, Suyong Wu, and Shaomin Hu. Random walk reduction in dithered ring laser gyroscope. Opt. Express. 2023;31: 7959–37967. https://doi.org/10.1364/OE.500916.
Robin L., Perlmutter M. Gyroscopes and IMUs for Defence Aerospace and Industrial. Report by Yole Development. 2012.
Troadec C., Girardin G., Perlmutter M. High-End Inertial Sensors for Defense, Aerospace & Industrial. Market and Technology. Report by Yole Development. 2015.
Damianos D., Girardin G. High-End Inertial Sensors for Defense, Aerospace & Industrial Applications. Market and Technology Report by Yole Development. 2020.
Damianos D. High-End Inertial Sensors. Market and Technology Product Brochure by Yole Development. 2022.
Global Inertial navigation systems (INS) market (2023–2028). Report by Mordor Intelligence. 2023. http://www.mordorintelligence.com.
Ring Laser Gyroscope Market Report: Trends, Forecast and Competitive Analysis to 2030. 2024. https://www.researchandmarkets.com/reports/5928625/ring-laser-gyroscope-market-report-trends#rela4–5030627.
Choi W. S., Shim K. M., Kim C. J., Park B. Y. Effective Frequency Lock-In Changes of a Ring Laser Gyroscope Due to Harmonic Components of Dithering Signal. IEEE Sensors Letters. 2023; 7(5): 1–4., May 2023. Art no. 1500504, doi: 10.1109/LSENS.2023.3267886.MINS 2. Marine Inertial Navigation System. Raytheon Anschütz Gmb H. www.raytheon-anschuetz.com.
Northrop Grumman Delivers 8,000th LN‑100 Inertial Navigation System. Photo Release. 2013. http://media.globenewswire.com/noc/mediagallery.html?pkgid=18902.
Tazartes D. An historical perspective on inertial navigation systems. 2014 International Symposium on Inertial Sensors and Systems (INERTIAL). Laguna Beach. CA. USA. 2014; 1–5. doi: 10.1109/ISISS.2014.6782505.
Sinelnikov A. O., Tikhmenev N. V., Ushanov A. A., Nazarov S. I. Interaction of the Dither of a Ring Laser Gyroscope with an External Mechanical Disturbance. IEEE Xplore. 2023;1–4. doi: 10.23919/ICINS51816.2023.10168376.
Kuznetsov E., Golyaev Yu., Kolbas Yu., Kofanov Yu., Kuznetsov N., Vinokurov Yu., Soloveva T. Thermal computer modeling of laser gyros at the design stage: a promising way to improve their quality and increase the economic efficiency of their development and production. Optical and Quantum Electronics. 2021; 53(10); 596: 1–15. DOI: 10.1007/s11082‑021‑03253‑8
Sinelnikov A. O., Zubarev Y. A., Tereshenko D. A. Rapid Persistence Testing of Ring Laser Gyroscopes. 2023. 30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). Saint Petersburg. Russian Federation. 2023: 1–3. doi: 10.23919/ICINS51816.2023.10168522.
Naumov A. S., Sigaev V. N. Transparent Lithium-Aluminum-Silicate Glass-Ceramics (Overview). Glass Ceram 2024;80:491–499. https://doi.org/10.1007/s10717-024-00639-4.
Наумов А. С., Сигаев В. Н. Прозрачные ситаллы на основе литиевоалюмосиликатной системы. Стекло и керамика. 2023; 96(11): 54–63. DOI: 10.14489/glc.2023.11.pp.054‑063.
Sinelnikov A. O., Zapotylko N. R., Zubarev Y. A. et al. Aspects of Sitall SO‑115M Use in the Fabrication of the Optical Components of He–Ne Ring Lasers. Glass Ceram, 2023. https://doi.org/10.1007/s10717-023-00579-5
Синельников А. О., Запотылько Н. Р., Зубарев Я. А., Катков А. А. Особенности применения ситалла СО‑115М при изготовлении оптических деталей кольцевых He-Ne лазеров. Стекло и керамика. 2023;96(5)(1145): 3–13. DOI 10.14489/glc.2023.05.pp.003–013.
Miniature Inertial Measurement Unit. Proven performer for satellite and deep-space-probe applications. 2021. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
HG5700 Inertial Measurement Unit. 2021. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
HG1700 Inertial Measurement Unit. 2022. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
HG9900 Inertial Measurement Unit. 2018. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
HG2170 Laseref™ Marine Inertial Navigation System. 2016. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
LASEREF IV retrofit program. 2022. Honeywell Aerospace. http://www.aerospace.honeywell.com.
DRU-H-R. Dynamic Reference Unit-Hybrid Replacement. Datasheet. 2024. EMCORE. http://www.emcore.com.
PNU/UPNU- with Commercial GPS Receiver. Position and Navigation Unit/Universal Position and Navigation Unit. Datasheet. 2024. EMCORE. http://www.emcore.com.
Inertial Measurement Units. KG-IMU-KIT. Datasheet. 2020. Kearfott. www.kearfott.com.
Sokolov A. V., Tarasovskij D. O., YAshnikova O. M. Analiz opyta kompanii Safran v oblasti tochnogo priborostroeniya. Morskoe oborudovanie i tekhnologii. 2023; 1(34):98–113.
Соколов А. В., Тарасовский Д. О., Яшникова О. М. Анализ опыта компании Safran в области точного приборостроения. Морское оборудование и технологии. 2023;1(34): 98–113.
The European leader in aerospace navigation. Setting the global standard for 70 years. 2017. Safran Electronics & Defense. http://www.safran-electronics-defens.com.
http://www.thalesgroup.com.
http://www. iai.co.il.
MINS 2 Marine Inertial Navigation System. http://www.raytheon-anschuetz.com.
iPRENA-M-H Precision Inertial/GNSS/VMS based Navigation System. Technical Data. 2023. iMAR Navigation. http://www.imar-navigation.de.
Istomina N. L., Karyakina L. V. Domestic Photonics Market. Photonics Russia. 2024. 18(3): 218–223. DOI: 10.22184/1993‑7296.Fros.2024.18.3.218.223.
Liapidevskiy A. V., Zhmud V. A. The main research in foreign electronics and photonics. Automatics & Software Enginery. 2023; 2 (44): 100–150.
Dell ‘Olio F., Natale T., Wang Y. C., Hung Y. J. Miniaturization of Interferometric Optical Gyroscopes: A Review in IEEE Sensors Journal. 2023;23(24): 29948–29968. 15 Dec.15, 2023. doi: 10.1109/JSEN.2023.3327217.
ОБ АВТОРАХ
Синельников Антон Олегович – к. т.н, нач. лаб., АО «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения»; доц. каф. «Нанотехнологии и микросистемная техника», ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы», Москва, Россия.
Область научных интересов: лазерная гироскопия, инерциальные навигационные системы, газовые лазеры.
ORCID 0000-0002-5579-3509
Тихменев Николай Вадимович – к. ф.-м.н, нач. отд., АО «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения», Москва, Россия.
Область научных интересов: лазерная гироскопия, вакуумные и оптические технологии инерциальных датчиков, технологическое обеспечение надежности.
Ушанов Александр Александрович – вед. инж.-электроник, АО «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения», Москва, Россия.
Область научных интересов: лазерная гироскопия, инерциальные навигационные системы, системный анализ.
ORCID 0009-0009-3703-9981
Медведев Владимир Михайлович – д. т.н, проф., ген. директор АО «Государственный научно-исследовательский институт приборостроения», Москва, Россия.
Область научных интересов: техническая диагностика, организационно-технические вопросы управления эксплуатацией изделий.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Отзывы читателей
