INTRODUCTION 

On appelle gyroscope tout appareil permettant d’effectuer une mesure de la rotation absolue de son boîtier vis-à-vis de l’espace absolu .

Un gyroscope sert donc à déterminer les changements d’orientation .

La mesure de vitesses de rotation par gyrolaser se base sur l’effet Sagnac.
 

Les recherches sur les gyroscopes à laser ont débuté dans les années 1960. C’est dans les années 1970 que l’effort principal de recherche et de développement a été effectué, assurant la crédibilité de cette nouvelle technique .

(principales entreprises concernées : Honeywell, Litton , Singer aux Etats-Unis,
SFENA –qui n’existe plus – associé à Quantel , en France)

 I. DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DU GYROLASER
 
1.fonctionnement (effet Sagnac)
 

Le gyrolaser est un oscillateur double constitué d’un laser à gaz . Sa cavité résonnante, triangulaire ou carrée, et dont les sommets sont matérialisés par des miroirs, contient du plasma (hélium - néon) .Elle est parcourue par les ondes, de telle sorte que le chemin optique parcouru par les ondes soit multiple de leur longueur d’onde.

En général, l =0.63 m m , et le périmètre parcouru est de l’ordre de 30 cm .


3 électrodes ( 2 anodes et une cathode ) excitent le plasma et provoquent l’émission de 2 ondes qui parcourent la cavité en sens contraire, selon le même trajet .

Un prisme restitue une onde ( ou raie lumineuse ) correspondant à la différence des 2 ondes .

D f = 4 S W                            S : surface du triangle
         l P                                     P : périmètre

W  : vitesse de rotation

l  : longueur d’onde


2.sources d’erreurs et solutions apportées
 
 

Le blocage de fréquence  immobilise l'onde stationnaire;il résulte d’une interaction (transfert d’énergie thermique) entre les 2 ondes lumineuses : c’est la conséquence de minimes imperfections des miroirs du gyroscope qui diffusent une faible partie de la lumière incidente en sens opposé à la trajectoire initiale.
( " cheminement aléatoire " = random walk )

Þ on ajoute un vibreur qui garde la cavité en mouvement ; la vibration des miroirs permet d’éliminer ce seuil .

Þ cause : le mouvement de ces ions dans la cavité est négligeable pour des vitesses de rotations grandes, mais ne l’est plus lors de petits mouvements de la cavité.

Þ solutions apportées :* on élimine la dérive de l’onde stationnaire en utilisant des cavités où deux écoulements de gaz se font en sens inverse , par exemple avec une seule anode et deux cathodes placées sur les 2 côtés opposés d’un carré . Ainsi les mouvements gazeux se compensent et la dérive est presque éliminée .

*de plus, on utilise un dispositif électronique supplémentaire qui mesure et compense la dérive résiduelle de sorte que seules des perturbations imprévisibles peuvent engendrer une erreur systématique .

II. INTERETS DU GYROLASER
 
1.Performances et précisions des mesures (gyroscopes et gyromètres)
 

La qualité d’un gyroscope se caractérise par sa dérive (grandeur homogène à une vitesse de rotation) .

Par exemple, la dérive est de 100°/h pour le pilotage automatique de véhicules marins et spatiaux (sous-marins, fusées , avions ), et généralement sans compensation .

Dérive de 10°/h pour les gyroscopes d’attitudes (avions et fusées )

de 1°/h pour le guidage de missiles tactiques, de 0.1 °/h pour le guidage de missiles stratégiques, de 10 –5 °/h pour le pilotage des satellites .

- dérive : 0.003 + 0.001 t –1/2 en °/h avec t en h de fonctionnement

- erreurs de zéro : nécessite un recalage par GPS toutes les 30 h .

 
 2.Avantages par rapport au gyroscope mécanique
 

Le gyroscope mécanique est basé sur la rotation de pièces mécaniques (système de toupie ).

 Avantages du gyrolaser : aucune pièce mécanique dans le gyrolaser

Þ meilleure précision : beaucoup moins de dérive car pas de " balourd "  mécanique.

Þ pas de masse des rayons laser donc le gyroscope à laser est insensible aux variations des champs magnétiques et gravitationnels

Þ moins d’entretien

Þ pas de frottement donc les pièces ne s’usent pas . 

  

 III. APPLICATIONS
 
1. Diverses applications : civiles et militaires

    - historique : mesure de la rotation de la Terre sur elle-même et autour du soleil.

    - aide au pilotage de satellites, fusées, avions, sous-marins

    - aide au guidage de missiles tactiques et stratégiques

    2.Intégration avec GPS et accéléromètres

 

Pourquoi l’hybridation de GPS et INS ?

Il sert de renfort si un satellite est défaillant.

 

Le filtre de Kalman traite les données fournies par l’INS et le GPS .
Il se base sur un algorithme de 1978. Il élabore un modèle d'erreur ( fondé sur des statistiques) et l'applique à la  position et à la vitesse.


CONCLUSION Le coût faible du gyrolaser , sa très bonne précision et fiabilité expliquent son expansion depuis les 3 dernières décennies .

Pour l’instant, seul le gyroscope à fibre optique est d’une aussi bonne voire meilleure qualité, mais il est plus cher .

Donc le gyrolaser est le système de guidage le plus utilisé. On le retrouve sur la majorité des Airbus et Boeing .

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