Sistemas de Navegação Inercial (INS) #072

Fonte: Marinha do Brasil/DHN

A Navegação Inercial é uma forma de atualização de posição independente de qualquer sinal transmitido externamente como o GPS ou o sistema Loran-C,  atualizando seus dados continuamente e com precisão. Esse sistema não requer a emissão ou recepção de sinais e é imune a interferências. Isto é de particular importância para os submarinos nucleares, que são projetados para permanecerem submersos durante suas patrulhas, por prolongados períodos.

O INS para Navios (SINS – “Ship’s Inertial Navigation System”) foi desenvolvido no final dos anos 1950 e início da década seguinte, para preencher os requisitos de posicionamento preciso dos submarinos nucleares portadores de mísseis balísticos (SSBN). 

Após um primeiro modelo experimental instalado no submarino “Nautilus”, que cruzou o Pólo Norte navegando submerso, em 3 de agosto de 1958, o INS foi empregado a bordo do submarino “George Washington”, em 1960. Desde então, tem sido continuamente refinado, aperfeiçoado e reduzido em tamanho  e custo, de modo que, atualmente, seu uso foi estendido aos submarinos de ataque, navios de superfície e aeronaves.

A Navegação Inercial é definida como o processo de determinar a posição através do monitoramento dos movimentos com base na medida das suas acelerações em direções espaciais conhecidas, por meio de instrumentos que mecanizam as leis do movimento de Newton. As acelerações são integradas para obtenção da velocidade e posição. Os instrumentos básicos usados em todos os sistemas de navegação inercial são giroscópios, acelerômetros e computadores.

Essencialmente, um giroscópio clássico consiste de um rotor (volante ou toro), perfeitamente balanceado, que, ao girar em alta velocidade, mantém, de acordo com as leis de Newton, a orientação do seu eixo de rotação, apontando sempre para um mesmo ponto no espaço (com respeito a um sistema de referência universal), exceto quando perturbado por uma força externa, como a gravidade ou o atrito (fricção).

Um acelerômetro é um dispositivo projetado para computar a aceleração (A) ao longo de um determinado eixo, pela medida da força (F), exercida ao longo desse eixo, sobre uma dada massa (M), usando a 2ª Lei do Movimento de Newton (F = MA). Um acelerômetro pode ser considerado, em sua expressão mais simples, como uma massa suspensa por um fio (um pêndulo) ou que pode correr ao longo de um guia reto. Estando o suporte do pêndulo ou do guia em repouso, ou em estado de movimento retilíneo uniforme, a massa estará em seu ponto neutro. Mas, se o suporte inicia movimento, ou altera sua velocidade, isto é, se há uma aceleração, a massa se desloca da posição neutra e a quantidade de deslocamento é proporcional ao valor da aceleração.

A medida do deslocamento é feita por meios elétricos, pois, assim, conseguem-se detectar tanto as mínimas como as grandes acelerações. O navegador inercial só necessita medir as acelerações nos sentidos Norte–Sul e Leste–Oeste. As demais acelerações, como as devidas ao balanço, caturro, gravidade, etc., devem ser eliminadas.

Um Sistema de Navegação Inercial é basicamente constituído por:

• Dois acelerômetros, que medem as acelerações com respeito aos eixos N–S e E–W;
• Integradores acoplados aos acelerômetros;
• Plataforma estabilizada por giroscópios, sobre a qual estão os acelerômetros;
• Sistema de orientação, que mantém os acelerômetros alinhados em suas respectivas direções azimutais; e
• Computador digital para determinar as diferenças de Latitude e de Longitude, aplicando-as às coordenadas inicialmente alimentadas, e que fornece a posição atual.

Em uma breve descrição de sua operação, pode-se dizer que o INS é baseado no princípio da Sintonia de Schuler, pelo qual uma plataforma estável permanecerá alinhada com a vertical do local, qualquer que seja o movimento do veículo onde esteja instalada.

O sistema consiste, basicamente, de dois acelerômetros e três giroscópios. A Latitude é obtida pela medida do ângulo entre a vertical do lugar e o eixo de rotação da Terra, com o qual um dos giroscópios está alinhado. A Longitude é obtida por dupla integração da aceleração no sentido Leste–Oeste (E–W), medida por um dos acelerômetros, para produzir distância percorrida no fundo (“distance over the ground”) na direção E–W; esta é, então, aplicada como diferença de Longitude (Dl) à Longitude da posição inicial.

Assim, o Sistema de Navegação Inercial (SINS) mede Latitude, mas calcula Longitude. Os dois acelerômetros e os três giroscópios são montados em um sistema com suspensão cardan; os acelerômetros e os giroscópios são interdependentes, não se podendo identificar tarefas separadas e distintas para cada componente. A teoria do SINS fundamenta-se na aplicação do princípio da inércia a um sistema giroscópico. O sistema é construído de forma que tende a permanecer estável no espaço, em três planos perpendiculares entre si, sendo isto obtido pelo uso de três giroscópios.

Assim, quando o veículo se desloca, o sistema, pela propriedade da inércia, tende a permanecer fixo no espaço. O método pelo qual isto é usado para fornecer posição geográfica (Latitude e Longitude) será explicado adiante, mas antes é necessário entender a construção do sistema giroscópico e da plataforma estável do INS.

A PLATAFORMA ESTÁVEL DO INS

Para estabilizar o sistema em três planos, são requeridos três giroscópios, montados perpendicularmente entre si. Usam-se giroscópios com um único grau de liberdade (“single-degree-of-freedom gyroscopes”),  com seus eixos sensíveis apontados, respectivamente, para o Pólo Norte Celeste, na direção oposta ao centro da Terra e na tangente à superfície da Terra, onde as setas indicam a direção dos eixos sensíveis dos giroscópios. 

Os três giroscópios são montados com suspensão cardan, de modo que tenham completa liberdade de movimento em todos os três planos. Ademais, dois dos giroscópios devem girar em torno do eixo horizontal E–W, conforme o veículo varia sua Latitude. Para obter isto, estes dois giroscópios são montados no “Anel de Latitude”, que é um disco capaz de girar em torno do eixo horizontal E–W, sendo, assim, mantido com seu plano no meridiano. 

O Anel de Latitude é montado no Anel de Azimute, livre de girar em azimute, em todas as direções. O giroscópio E–W é montado sobre este anel. O sistema, como descrito até aqui, tenderia a permanecer fixo no espaço, o que significa que, para um observador na superfície terrestre, pareceria girar de 360º a cada dia sideral, devido à rotação da Terra.

Entretanto, um giroscópio deve ser mantido no plano do meridiano e outro giroscópio no plano horizontal, por razões que se tornarão aparentes mais tarde. Então, o giroscópio recebe um torque em torno de seu eixo, numa razão igual e oposta à rotação da Terra (isto é, 360º em cada dia sideral). Por esta razão, o sistema mantém sua atitude com respeito à horizontal e à vertical.

Além disso, o sistema deve ter um meio de buscar a vertical (e, conseqüentemente, a horizontal). Isto é proporcionado por acelerômetros em dois eixos. Os acelerômetros são, basicamente, pêndulos montados no Anel de Azimute, de modo que seus eixos sensíveis sejam N–S e E–W. Isto é importante, porque os acelerômetros devem ser capazes de medir a aceleração e indicar a vertical em dois planos: Norte–Sul e Leste–Oeste. O equipamento até aqui descrito (com os três giroscópios, o Anel de Latitude, o Anel de Azimute e os dois acelerômetros) constitui o Elemento Sensível do INS. Para isolar o Elemento Sensível do balanço e caturro de um navio, ele é montado em duas suspensões adicionais. O sistema completo é denominado de Plataforma Estável.

Cada anel de suspensão é controlado por um motor de torque, através de um sistema servo-motriz, usando sinais dos três giroscópios. Além disso, um giroscópio, conforme anteriormente citado, recebe um torque igual e oposto à rotação da Terra. Assim, a Plataforma Estável é isolada dos efeitos do movimento de um navio (isto é conhecido como “isolamento do movimento da base”) e vai buscar e permanecer em uma atitude correta com respeito aos planos horizontal e vertical.

PRINCÍPIO DA SINTONIA DE SCHULER

Os pêndulos dos acelerômetros estariam sujeitos a ser afetados pela aceleração do veículo, ou seja, eles poderiam tomar uma falsa vertical, do mesmo modo que ocorreria com um pêndulo em um trem que estivesse acelerando, devido ao atraso do peso. Isto pode ser contornado pelo uso do Princípio de Schuler, pelo qual um pêndulo com o seu ponto de suspensão na superfície terrestre e o seu peso no centro da Terra indicará sempre a verdadeira vertical, independentemente da aceleração imprimida ao ponto de suspensão

O período de oscilação desse pêndulo será de 84 minutos. Assim, o Princípio de Schuler aplica-se a qualquer pêndulo com um período de 84 minutos. Então, sintonizam-se os circuitos dos acelerômetros e dos giroscópios, de modo que o Elemento Sensível tenha este período de oscilação, para que mantenha a propriedade de indicar a vertical verdadeira, sob qualquer aceleração ou desaceleração a que esteja sujeito. O processo é conhecido como “Sintonia de Schuler”.

MEDIDA DA LATITUDE E CÔMPUTO DA LONGITUDE

A Latitude é medida diretamente, em um INS, a partir da Plataforma Estável, pois é o ângulo entre o giroscópio e a vertical do Elemento Sensível. A Longitude não pode ser medida diretamente, mas o torque
adicional exigido para manter o Elemento Sensível vertical no meridiano é uma medida da velocidade na direção E–W. A integração desse dado dará a distância navegada E–W, que pode ser aplicada, como diferença de Longitude (Dl), à Longitude anterior indicada, de modo a manter a posição do veículo constantemente atualizada.

Assim, em resumo, a Plataforma Estável mantém sua atitude com relação ao eixo de rotação da Terra e à vertical, por um sistema de três giroscópios e dois acelerômetros. A Sintonia de Schuler garante que o movimento do navio não introduz no sistema uma falsa vertical. O SINS mede diretamente a Latitude, mas a Longitude é obtida por integração da velocidade E–W. O movimento do veículo considerado pelo SINS é o movimento verdadeiro, sobre a superfície da Terra, levando em conta todas as influências – correntes, ventos, marés, etc.

Além da Latitude e Longitude, o Sistema de Navegação Inercial proporciona, ainda, as seguintes informações:

• Rumo do navio: indicado com muita precisão pelo giroscópio E–W e acelerômetro; assim, o SINS pode substituir uma agulha giroscópica;
• Caturro e balanço: a Plataforma Estável é mantida com muita precisão nos planos horizontal e vertical; então, é capaz de proporcionar dados exatos de balanço e caturro, para alimentar os sistemas de armas e sensores, para sua estabilização; e
• Velocidade: a razão de torque dos giroscópios fornece as componentes N–S e E–W da velocidade; com isso, calcula-se a velocidade verdadeira do navio (velocidade no fundo).

ERROS NO EQUIPAMENTO. PRECISÃO DO SISTEMA DE NAVEGAÇÃO INERCIAL

A exatidão de um INS depende fundamentalmente da precisão e confiança dos seus principais componentes. As fontes potenciais de erros mais significativas são:

• Erros causados pelo movimento de rotação diário da Terra;
• Atrito nos sistemas giroscópicos;
• Desalinhamento da plataforma estável, resultando que componentes verticais do campo gravitacional da Terra sejam falsamente interpretados como componentes horizontais; e
• Outras imperfeições na construção dos giroscópios e acelerômetros.

Devido ao erro combinado causado por estes e outros fatores, todos os INS apresentam algum grau de erro cumulativo, que aumenta com o tempo de operação. Assim, a posição fornecida pelo sistema deve ser periodicamente comparada com posições obtidas por outros meios e, ainda, o SINS deve ser atualizado e calibrado a determinados intervalos de tempo, utilizando, por exemplo, uma posição LORAN-C ou GPS. 

Entretanto, os sistemas atuais requerem atualizações muito menos freqüentes que os inicialmente instalados nos submarinos portadores de mísseis balísticos “Polaris”. Isto é uma característica importante, pois a determinação da posição por meios externos muitas vezes requer que o submarino navegue próximo da superfície, onde a vulnerabilidade à detecção é grandemente aumentada.

Entre os avanços mais interessantes ocorridos durante os esforços contínuos para refinar os INS nos últimos 20 anos, destacam-se o desenvolvimento do giroscópio eletrostático (ESG – “electrostatic gyro”) e do giroscópio a laser (“laser gyro”).

No giroscópio eletrostático, o rotor consiste de uma esfera sólida de berílio de 1 centímetro de diâmetro, que gira a 216.000 RPM em um vácuo quase perfeito. O rotor é suspenso unicamente por um campo eletrostático, que mantém a esfera afastada poucos centésimos de milímetro da superfície interna do estojo que a contém. Assim, o giroscópio eletrostático fica livre do atrito nos rolamentos, que afeta os giroscópios clássicos, assim como de muitos dos torques aleatórios associados, que suspensões mecânicas podem introduzir. Conseqüentemente, o ESG representa a melhor aproximação jamais alcançada pelo homem ao giroscópio perfeito teórico.

Nos INS mais modernos, um giroscópio eletrostático é empregado para monitorar continuamente a posição derivada de sistemas giroscópicos convencionais e para atualizar periodicamente o sistema (atualização interna), durante o intervalo entre duas posições determinadas por meios externos. Embora, com o decorrer

do tempo, mesmo um INS monitorado por giroscópio eletrostático desenvolva um grau significativo de erro e necessite de atualização externa, o emprego deste dispositivo aumenta de cerca de 6 vezes o tempo requerido entre estas atualizações, em comparação com os modelos de SINS mais antigos.

O giroscópio a laser foi incorporado em muitos dos INS mais novos, desenvolvidos recentemente, em especial naqueles projetados para aeronaves. Na realidade, o equipamento não é um giroscópio no sentido tradicional, pois não há uma massa giratória central. Em vez disso, existe uma trajetória laser geométrica fechada (normalmente triangular), centrada em um eixo de rotação virtual. Esta trajetória é percorrida em sentidos opostos por feixes laser de fases idênticas, que são gerados continuamente.

Qualquer rotação do dispositivo em torno do eixo causará uma diferença de fase aparente nos dois feixes laser, pois a trajetória do feixe que se propaga na direção da rotação é efetivamente aumentada, enquanto que a trajetória do feixe que se propaga na direção oposta é diminuída. A diferença de fase medida será diretamente proporcional à velocidade de rotação. Por não depender de uma massa giratória para sua operação, o INS que emprega giroscópios a laser é ainda mais preciso que os sistemas monitorados por giroscópios eletrostáticos.

Também foram feitos aperfeiçoamentos na construção dos acelerômetros, o que contribuiu para aumentar a precisão do SINS. Além disso, em algumas aplicações utilizou-se o princípio da redundância, instalando-se a bordo dois INS, inicializando-se um dos sistemas pelas informações do outro (no meio da “vida útil” de sua precisão), aumentando-se, assim, o intervalo de tempo entre as necessárias atualizações por meios externos. 

Detalhes sobre a precisão dos Sistemas de Navegação Inercial constituem, normalmente, informações classificadas, cujo grau de sigilo impede sua divulgação. No entanto, pode-se afirmar que a informação de azimute (rumo) é muito precisa (±0,1º), sendo o SINS, normalmente, utilizado como fonte primária de direções (rumos) para as repetidoras de bordo, substituindo, assim, a agulha giroscópica (que permanece como “back-up”).

Outra grande vantagem é a saída precisa e contínua de dados de estabilização proporcionada pelo SINS, que é usada nos sistemas de armas e nos sensores de bordo. Quanto à precisão de posicionamento, ela é melhor que 1 milha, em todas as ocasiões.

Entretanto, embora o SINS não esteja sujeito a vários erros comuns na navegação estimada, o navegante deverá sempre lembrar que as posições fornecidas pelo sistema não são posições determinadas, assemelhando-se mais a posições estimadas. Por melhor que sejam os equipamentos, os dados de posição deverão ser comparados com outros meios, assim que as circunstâncias permitirem.