Gyros sind einer der Sensortypen, die in den meisten Trägheitsnavigationssysteme (INS). Einer der anderen Sensortypen, die in den meisten Trägheitsnavigationssystemen verwendet werden, sind Beschleunigungsmesserdie sich hervorragend dazu eignen, geradlinige Bewegungen zu messen, aber sie sind nicht gut bei der Rotation - hier kommen Gyros ins Spiel. Gyros interessieren sich überhaupt nicht für lineare Bewegung, sondern nur für Rotation. Bei der Beschreibung verschiedener Trägheitsnavigationssysteme kann der Begriff "Kreisel" unterschiedliche Bedeutungen haben, je nachdem, welche Art von System beschrieben wird.
Im traditionellen Sinne verwendet ein Gyroskop einen oder mehrere sich drehende Rotoren, die in einem Kardanring gehalten werden oder in einem anderen System aufgehängt sind, das dazu dient, das Gyroskop von externen Drehmomenten zu isolieren. Diese Art von Gyroskop funktioniert, weil der Rotor, sobald er sich dreht, seine Achse oder Rotation beibehalten will. Mit anderen Worten: Wenn Sie eine Linie durch die Drehachse des Kreisels projizieren, würde die projizierte Linie, egal wie Sie versuchen, den Kreisel zu drehen und zu kreisen, immer versuchen, auf die gleiche Stelle zu zeigen. Natürlich könnte der Kreisel zur Bewegung gezwungen werden, wenn Sie ein Drehmoment auf ihn ausüben könnten - aber genau das soll der Kardanring verhindern.
Ein Kardanring verwendet eine Anzahl von ineinander montierten konzentrischen Ringen, die über orthogonal angeordnete Zapfen verbunden sind. Diese Konstruktion ermöglicht es dem Kreisel, sich frei in drei Achsen zu drehen, vorausgesetzt, die Ringe sind nicht kardanisch gelagert. Eine kardanische Verriegelung tritt auf, wenn zwei Achsen ausgerichtet werden. In diesem Zustand hat der Kardan zwei statt drei Freiheitsgrade, so dass ein in einer bestimmten Richtung aufgebrachtes externes Drehmoment die Drehachse beeinflussen kann.
Da der Rotor des Kreisels seine ursprüngliche Drehachse beibehalten will, können Sensoren am Kardanrahmen angebracht werden, um die relative Änderung der Ausrichtung des Außenrahmens zu messen, an dem er befestigt ist. Auf diese Weise ist es möglich, ein Bild davon zu erhalten, wie der äußere Rahmen relativ zur Achse des Kreisels ausgerichtet ist. Das Bild auf der linken Seite veranschaulicht dies.
Die Gyros, die in Strap-Down-Navigatoren verwendet werden, sind nicht kardanisch gelagert. Das liegt daran, dass es sich nicht um Kreisel im traditionellen Sinne der Dinge handelt. Stattdessen handelt es sich um MEMS-Geräte, die die Winkelgeschwindigkeit typischerweise in Einheiten von °/s (gesagt: Grad pro Sekunde) messen. Ein MEMS-Kreisel zeigt also unabhängig von der Richtung, in die er zeigt, solange er sich nicht um seine Messachse dreht, wird er einen Wert von 0 °/s ausgeben. Würde sich der Kreisel jedoch um seine Messachse drehen und für jede Umdrehung etwa eine Sekunde benötigen, würde er einen Wert von 360 °/s ausgeben.
Dies würde je nach Drehrichtung positiv oder negativ sein.
MEMS-Drehratensensor
MEMS-Gyros (mikroelektromechanische Systeme) gibt es in vielen Formen und Größen. Die Messachse dieses Drehratensensors ist durch den roten Pfeil dargestellt. Eine Drehung in Pfeilrichtung ergibt einen positiven Wert, während die entgegengesetzte Richtung eine negative Messung ergibt. Eine lineare Bewegung wird nicht registriert.
Winkelgeschwindigkeitssensoren (Gyros) messen die Winkelgeschwindigkeit in o/s (Grad pro Sekunde). Sie "messen" nicht die Richtung. Sie können ihre Messungen jedoch verwenden, um herauszufinden, in welche Richtung der Sensor zeigt, wenn Sie wissen, in welche Richtung er anfangs gerichtet war. Dieser Sensor und der Sensor links davon würden beide 0 o/s anzeigen.
Dieser Sensor dreht sich nach rechts und würde einen positiven Wert erzeugen. Die Messwertausgabe hängt davon ab, wie schnell er sich dreht - je höher die Zahl, desto schneller die Drehung. Wenn der Sensor 0,5 Sekunden lang einen Durchschnittswert von 90 o/s sah, könnten wir ausrechnen, dass sich der Sensor um 45o im Uhrzeigersinn gedreht hat.
Durch die Montage von drei Gyros auf drei zueinander senkrechten Achsen ist es möglich, die Orientierung eines Objekts im 3D-Raum zu verfolgen. In Kombination mit Beschleunigungsmessern ist es möglich, die relative Position, Orientierung und Geschwindigkeit eines Objekts zu verfolgen - und solange wir die Startposition kennen, können wir die aktuelle Position berechnen.
Daraus kann man ersehen, dass ein Kreisel an sich, wie bei Beschleunigungsmessern, dem INS nicht sagt, in welche Richtung er sich orientiert. Wenn er zum ersten Mal eingeschaltet wird, weiß der Kreisel nur, wie schnell er sich dreht. Es ist die Aufgabe des INS, all diese Messungen zu verfolgen. Wenn das INS also eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 360°/s für genau 0,25 Sekunden um die z-Achse sieht, weiß es, dass es sich unabhängig von der Richtung, in die es ursprünglich zeigte, nun um 90° gedreht hat (360 °/s ÷ 0,25 s = 90°). Wenn das INS vor der Bewegung wusste, dass es nach Norden ausgerichtet war, und es weiß auch, dass positive Kreiselwerte eine Drehung im Uhrzeigersinn anzeigen, dann kann es natürlich leicht herausfinden, dass es jetzt nach Osten ausgerichtet ist.
Genauso wie es normal ist, drei Beschleunigungsmesser zu verwenden, ist es normal, dass das INS drei Gyros enthält, die so ausgerichtet sind, dass sie die Rotation um drei zueinander senkrechte Achsen messen. Auf diese Weise kann das INS seine Orientierung im 3D-Raum messen. Dazu verwendet es ein Verfahren namens Koppelnavigation.
