Применение волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) в спутниковых системах

Принцип действия ВОГ

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) основан на эффекте Саньяка — физическом явлении, при котором два световых луча, распространяющихся в противоположных направлениях по замкнутому оптическому контуру (в данном случае — по оптическому волокну, намотанному на катушку), приобретают разность фаз при вращении контура. Эта разность фаз пропорциональна угловой скорости вращения и регистрируется интерферометрически. Чем выше скорость вращения, тем больше сдвиг фаз между встречными лучами. Таким образом, ВОГ измеряет угловую скорость объекта без использования движущихся механических частей — исключительно за счёт физики светового луча.

Почему ВОГ используется в спутниках?

Основная задача спутника — поддерживать заданную ориентацию относительно Земли, Солнца или других космических объектов. Это необходимо для корректной работы антенн, солнечных батарей, научных приборов и систем связи. ВОГ входят в состав систем ориентации и стабилизации, а именно в состав бесплатформенной системы ориентации и стабилизации (БИНС), обеспечивая непрерывное измерение угловых скоростей. С помощью интегрирования показаний угловой скорости можно получить значение приращения угла отклонения объекта в любой момент времени. В самом БИНС установлен алгоритм навигации и ориентации, а также для повышения точности координат и углов ориентации используется фильтр Калмана.

Одним из ключевых факторов при выборе волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) являются его габариты и масса, ведь именно они напрямую влияют на высоту и эффективность полёта ракеты. Чем больше вес — тем ниже предельная высота, поэтому каждый килограмм имеет значение. Так, трёхосевой гироскоп NSOG300 демонстрирует оптимальный баланс размеров, массы и точности: при габаритах 112×112×77,5 мм и весе всего 900 г он обеспечивает стабильность нуля 0,1°/ч, что делает его отличным выбором для высокоточных навигационных систем.

Преимущества ВОГ в космических условиях

1. Высокая надёжность и долговечность. ВОГ не имеют подвижных механических частей, что делает их чрезвычайно устойчивыми к вибрациям, перегрузкам и длительному функционированию в условиях космоса. Это особенно важно при запуске ракеты-носителя и на протяжении всего срока службы спутника.

2. Высокая точность и стабильность. Современные ВОГ обеспечивают низкий уровень дрейфа, этот показатель может быть менее ≤0.02°/час как в модели NSOG3G70 от Navigation Systems, что позволяет поддерживать точную ориентацию даже при длительных полётах без внешней коррекции.

3. Устойчивость к радиации. При правильном проектировании и использовании радиационно-стойких материалов и компонентов ВОГ могут успешно функционировать в условиях повышенного радиационного фона на орбите.

4. Быстрый запуск и отсутствие «времени на раскрутку». В отличие от механических гироскопов, ВОГ готовы к работе практически сразу после включения, что крайне важно в аварийных или динамичных режимах управления спутником.

5. Возможность экранирования от космических радиаций.

6. Устойчивость к электромагнитным помехам.