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LE GYROLASER Physique, technologies et production industrielle Christophe DAUSSY – SAGEM IOGS Palaiseau / 3 avril 2015 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. SOMMAIRE /01/ Introduction /02/ Principes /03/ Architecture matérielle /04/ Physique du gyrolaser /05/ Gyrolaser et navigation inertielle /06/ Moyens industriels /07/ Conclusion /08/ Questions - Réponses 1/ Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /01/ Introduction 2/ Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /01/ INTRODUCTION Le gyromètre laser, ou gyrolaser, est utilisé aujourd’hui dans l’immense majorité des systèmes de navigation inertielle existant dans le monde, aussi bien dans l’aviation civile que pour l’ensemble des applications militaires Honeywell Northrop Grumman Kearfott Sagem Thales Des dizaines de milliers de gyrolaser sont fabriqués chaque année dans le monde, principalement aux Etats-Unis et en France Le gyrolaser est une application pratique de la mesure d’une rotation dans l’espace inertiel à l’aide de deux faisceaux optiques contrarotatifs, principe mis en évidence en 1913 par le physicien français Sagnac. Georges Sagnac a été un des suppléants d’Aimé Cotton, professeur à l’université de Paris, un des fondateurs de l’Institut d’Optique en 1917. 3/ Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. G. Sagnac /01/ INTRODUCTION 70 ans se sont écoulés entre l’expérience de Sagnac et l’utilisation pratique de centrales de navigation à gyrolasers pour l’aviation civile 1887 Michelson et Morley : utilisation d’un interféromètre pour mesurer le « mouvement relatif de la terre et de l’éther luminifère» - Prix Nobel de physique en 1907. 1913 Sagnac : utilisation d’un interféromètre tournant pour mesurer une rotation. Démonstration de « l’effet tourbillonnaire optique dû au mouvement du système par rapport à l’éther » 1925 Michelson et Gale : mesure de la rotation terrestre 1960 Maiman : premier laser (rubis) 1963 Macek et Davis : premier gyromètre laser (HeNe) 1973 Vali et Shortill : premier gyromètre à fibre optique 1982 Centrale Inertielle à GLR sur 767/757 1988 Centrale Inertielle à GLR sur A320 4/ Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /02/ Principes 5/ Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /02/ L’EXPÉRIENCE DE SAGNAC Georges Sagnac L’éther lumineux démontré par l’effet du vent relatif d’éther dans un interféromètre en rotation uniforme 1913 Note de M. G. SAGNAC, présentée par M. E. Bouty. I. PRINCIPE DE LA MÉTHODE. - Je fais tourner uniformément, à un ou deux tours par seconde, autour d’un axe vertical, un plateau horizontal (50cm de diamètre) portant, solidement vissées, les diverses pièces d’un interféromètre analogue à celui que j’ai employée dans mes recherches antérieures et décrit en 1910 (Comptes rendus, t. 150, p. 1676). Les deux faisceaux interférents, réfléchis par quatre miroirs placés au bord du plateau tournant, sont superposés en sens inverses sur un même circuit horizontal entourant une certaine aire S. Le système tournant comprend aussi la source lumineuse, petite lampe électrique, et le récepteur, plaque photographique à grain fin, qui enregistre les franges d’interférence localisées au foyer d’une lunette. 6/ Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /02/ PRINCIPE DE L'EFFET SAGNAC … des photons sont émis à l’entrée … Dans un circuit optique fermé …. … les photons se propagent en sens inverse … … et comme le circuit est immobile … … ils reviennent au point de départ en même temps =2 =2 2 = 7/ Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /02/ PRINCIPE DE L'EFFET SAGNAC … les photons se propagent en sens inverse … Si le circuit est en rotation … … et comme le circuit a tourné … … ils reviennent au point de départ décalés temporellement Ω =2 −Ω =2 2 = +Ω 4 Δ = 2Ω = La différence de marche est proportionnelle à la vitesse d’entrée Ω et à la surface S englobée par le parcours ∆L = 4 S Ω/c 8/ Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. Ω /01/ SENSIBILITÉ DE L’EFFET SAGNAC La différence de marche due à l’effet Sagnac sur un tour est très faible ∆ = Expérience de Sagnac : Surface du circuit : 0,086 m2 Rotation 2 tours/s ∆L = 0,014 µm Expérience de Michelson et Gale : Surface du circuit : 208 146 m2 (20 ha !) Projection rotation terrestre : 10°/h ∆L = 0,13 µm Pour des applications de type navigation inertielle, il faut mesurer 0,01 °/h, et un circuit optique de 20 000 ha n’est pas facile à embarquer… Rq : la petite aiguille de votre montre (analogique) tourne à 30°/h. Une aiguille tournant à 0,01 °/h ferait le tour du cadran en 5 mois. 9/ Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /02/ MISE EN ŒUVRE DE L’EFFET SAGNAC Deux innovations des années 60 et 70 ont permis de mettre en œuvre de façon pratique l’effet Sagnac en le démultipliant : Le laser La fibre optique Sous forme de cavité résonnante active : le Gyromètre Laser (RLG) La cavité est résonnante (= kλ) et inclut le milieu amplificateur La rotation s’exprime par la différence des fréquences des deux ondes contrarotatives ω+ et ω- qui voient des longueurs de cavité différentes Sous forme d’anneau résonnant passif : le Gyromètre à Fibre Optique (FOG) Très proche de l’expérience de Sagnac La source est externe au parcours optique L’effet Sagnac est démultiplié par une bobine comportant de nombreux tours 10 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /02/ EFFET SAGNAC ET CAVITÉ RÉSONNANTE . La rotation dans un anneau résonnant actif s’exprime donc par l’intermédiaire d’une différence de fréquence ω+ et ω-. Cette différence de fréquence est directement reliée à la vitesse de rotation Ω de l’anneau résonnant par la relation : soit S : surface du parcours P: périmètre du parcours L’effet Sagnac est mesuré en créant un battement entre les deux faisceaux, en les faisant interférer grâce à un prisme de recombinaison et en utilisant une photodiode pour mesurer la fréquence de défilement des franges directement reliée à la vitesse de rotation du gyrolaser. 11 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /02/ EFFET SAGNAC ET CAVITÉ RÉSONNANTE La vitesse de défilement étant proportionnelle à la vitesse de rotation, chaque frange détectée par la diode correspond à un incrément angulaire. On peut considérer le gyrolaser comme un système de franges fixe dans l’espace inertiel que la photodiode en rotation vient lire. Pour λ = 0,6328µ un triangle de 32 cm 1 incrément vaut environ 2 secondes d'arc 1 tour vaut environ 600 000 incréments 12 / DAV / CESI Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /03/ Architecture matérielle 13 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /03/ ARCHITECTURE MATÉRIELLE Pour réaliser un gyrolaser il faut donc intégrer dans un dispositif compact Un circuit optique fermé très stable (cavité résonnante en boucle) englobant la plus grande surface possible Un milieu amplificateur laser – en pratique une décharge dans un mélange HeNe – intégré dans la cavité Un dispositif interférométrique de lecture permettant de créer le réseau de franges entre les deux faisceaux contrarotatifs 14 / DAV / CESI Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /03/ ARCHITECTURE MATÉRIELLE Le gyrolaser est construit autour d’un bloc optique Bloc optique 15 / DAV / CESI Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. Le bloc optique assure principalement deux fonctions : • Le supportage des miroirs permettant de garder la cavité laser alignée dans toute la gamme de température • Une enceinte à vide permettant de garder le gaz amplificateur durant toute la durée de vie Il est généralement en Zérodur®, vitrocéramique à faible coefficient de dilatation /03/ ARCHITECTURE MATÉRIELLE Miroir sphérique Bloc optique Miroir souple Miroir plan 16 / DAV / CESI Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. Les 3 miroirs constituent la cavité résonnante : • Miroir plan fixe • Miroir plan souple permettant d’accorder la longueur de la cavité pour centrer λ sur le maximum de gain du milieu amplificateur • Miroir sphérique pour assurer la stabilité du résonateur /03/ ARCHITECTURE MATÉRIELLE Miroir sphérique Bloc optique Anode 2 Anode 1 Décharge Miroir souple Miroir plan Cathode 17 / DAV / CESI Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. La décharge dans le milieu gazeux est obtenue par 3 électrodes : • Une cathode • Deux anodes Une alimentation haute tension crée une décharge confinée dans les capillaires permettant d’avoir la densité d’électrons créant un gain suffisant Les deux faisceaux laser contrarotatif peuvent s’établir dès que le gain est > pertes /03/ ARCHITECTURE MATÉRIELLE Prisme de recombinaison α Dispositif de lecture Détecteur franges Miroir sphérique θ1 Bloc optique Miroir de sortie Anode 2 Anode 1 I2 I1 Décharge Miroir souple Miroir plan Cathode 18 / DAV / CESI Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. Le dispositif de lecture prélève une fraction des deux faisceaux à l’arrière d’un miroir légèrement transmettant Le prisme superpose spatialement les deux faisceaux avec un traitement semi réfléchissant en créant un petit angle α générant le réseau de franges sur le détecteur double /03/ ARCHITECTURE MATÉRIELLE Dispositif de lecture Miroir sphérique Bloc optique Anode 2 Anode 1 Suspension Décharge Miroir souple Actionneur piézo-électrique Miroir plan Cathode 19 / DAV / CESI Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. Deux dispositifs électromécaniques viennent compléter le laser • Un actionneur piézoélectrique permettant de régler le miroir souple • Une suspension permettant de fixer le laser sur une référence mécanique en lui donnant en permanence un petit mouvement oscillant /03/ RÉALISATIONS PRATIQUES L’architecture de base est déclinée dans l’industrie sous plusieurs formes et tailles Gyrolasers triangulaires ou carrés Blocs mono axes ou triaxes Le marché est dominé par Honeywell avec un gyro mono axe triangulaire de 17 cm. En France les gammes des deux constructeurs sont : Sagem Thales monoaxe triangulaire 32 cm monoaxe carré 16 cm monoaxe carré 8 cm 20 / DAV / CESI Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. monoaxe triangulaire 33 cm triaxe 22cm triaxe 14 cm /03/ ARCHITECTURE TRIAXE Un système de référence inertielle demande de mesurer les rotations selon trois axes orthogonaux En général, trois gyrolasers sont assemblé sur une structure appelée « cœur inertiel » avec les trois accéléromètres L’architecture triaxe réalise dans un seul bloc de Zérodur® les trois circuits optiques carrés orthogonaux à l’aide de 6 miroirs (chaque miroir est commun à deux trajets orthogonaux) 2 3 1 21 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /04/ La physique du gyrolaser 22 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /04/ AMPLIFICATION LASER Le laser est un laser hélium – néon Excitation de l’Hélium par un plasma d’électrons Transfert de l’énergie au Néon par collision Excitation du niveau 3S2 Emission stimulée d’un photon à 632,8 nm gain Chaque fréquence optique (f+ et f-) interagit avec les atomes ayant le bon décalage Doppler lié à l’agitation thermique f- f0 f+ F (Mhz) gain Pour éviter la compétition quand les deux fréquences sont égales (à Ω=0), on utilise un mélange des isotopes Ne20 et Ne22 qui présentent un léger décalage de leur courbe de gain. 23 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. Ne20 Ne22 f- f0 f+ F (Mhz) /04/ MODES LONGITUDINAUX La cavité Fabry Perot présente un écart spectral d’environ 1 GHz et la largeur d’amplification est environ 1,5 GHz Le gain est réglé (via le courant de décharge) juste au dessus des pertes de la cavité pour qu’un seul mode à la fois puisse exister Pour compenser la dilatation résiduelle du bloc, la longueur de la cavité est conservée à une valeur L= N*λ en asservissant la puissance du laser sur le maximum de gain à l’aide du miroir souple et de l’actionneur piézo électrique 24 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /04/ MODES TRANSVERSES Un seul mode transverse doit exister à l’intérieur de la cavité, sous peine de créer des battements de fréquence autres que celui lié à l’effet Sagnac Un diaphragme situé au waist du faisceau gaussien vient augmenter les pertes des modes autres que TEM00 Sa taille doit être ajustée avec précision pour ne pas générer de pertes sur le mode TEM00 Il peut être elliptique pour s’adapter à l’astigmatisme de la cavité Il est constitué par un étranglement au milieu du capillaire situé en face du miroir sphérique 25 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /04/ SYSTÈME DE LECTURE La lecture du système de franges est faite à l’aide d’une photodiode double afin de discriminer le sens de rotation L’interfrange i est réglé pour que, quand les franges défilent, les 2 signaux quasi sinusoïdaux soient décalés de π/2 Les signaux sont seuillés et les fronts combinés pour générer des pulses + et – vers le calculateur = ↑ + ↓ + ↑ + ↓ = ↑ + ↓ + ↑ + ↓ 26 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. i A B /04/ ZONE AVEUGLE Le couplage énergétique dû aux quelques photons rétrodiffusés par les miroirs fait que, à faible vitesse, les deux ondes se bloquent à la même fréquence (lock-in) Le gyromètre mesure 0 dans l’intervalle –ΩL +ΩL Cet intervalle est dénommé « zone aveugle » Il peut représenter plusieurs centaines de °/h et rendrait le gyrolaser inutilisable en l’état La solution universellement utilisée sur les produits commercialisés est d’imprimer un mouvement oscillant permanent au bloc optique à l’aide de la suspension centrale Amplitude de quelques minutes Vitesse crête Ωd généralement supérieure à la vitesse angulaire max du porteur (~ 100 °/s) 27 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. ∆f (Hz) /04/ ZONE AVEUGLE DYNAMIQUE Une activation sinusoïdale pure est insuffisante pour supprimer la Zone Aveugle , • Une erreur subsiste à chaque traversée de la zone aveugle (zone de fort couplage) • La conséquence est l'apparition d'une nouvelle zone aveugle plus petite (zone aveugle dynamique) Afin de s'affranchir de ce phénomène, • il faut injecter dans l'activation sinusoïdale un bruit blanc à moyenne nulle • Ainsi l’erreur systématique change de valeur aléatoirement à chaque passage à zéro du dither Ce bruit injecté sur la vibration de la suspension génère une erreur de mesure angulaire de type marche aléatoire appelé Random Walk (RW) 28 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /04/ MINIMISATION DU RANDOM WALK Le random walk caractérise au premier ordre la classe de performance d’un gyrolaser Il dimensionne en particulier le temps nécessaire pour initialiser une centrale de navigation La détermination du nord géographique est obtenue par la mesure de la projection de la rotation terrestre sur le plan horizontal, le véhicule étant à l’arrêt Recherche de la verticale avec les accéléromètres (quelques secondes) Recherche du cap avec les gyromètres (quelques minutes à plusieurs heures suivant la classe des capteurs et la précision recherchée) La minimisation du random walk passe par la minimisation de ΩL et donc du nombre de photons rétrodiffusés par les miroirs et qui sont à l’origine du couplage des deux ondes La performance d’un gyrolaser, à taille donnée, dépend étroitement de la qualité de ses miroirs 29 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /04/ MIROIRS : SUBSTRAT Le premier facteur de qualité des miroirs est le niveau de diffusion des substrats Les photons rétrodiffusés sous l’angle d’incidence sont ceux qui contribueront au couplage énergétique des deux ondes Il est minimisé par l’obtention d’un micro poli de haute performance Rugosité < 0,5 nm RMS Zéro défaut sur zone utile Polissage classique 30 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. Superpolissage /04/ MIROIRS : COUCHES MINCES Les miroirs sont de type diélectriques Alternance couches haut et bas indice n.e = λ/4 à l’incidence souhaitée Environ 20 paires de couches assurent un taux de réflexion proche de 1 Le miroir « transmettant » ne comporte que 10 paires de couches environ Le procédé de fabrication ne doit générer aucun défaut local, source de diffusion O2 Les couches sont déposées par IBS (Ion Beam Sputtering) Ar CI BL ES Propreté du procédé réalisé dans des conditions de type microélectronique (salles blanches) Compacité des couches déposées – faible absorption Maîtrise de l’indice et de l’épaisseur ions atomes substrats porte-substrats Réflexion : > 99.998 % Pertes totales : < 20 ppm Rétrodiffusion : < 0.05 ppm Pompage 31 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. Canon à ions /04/ ADHÉRENCE MOLÉCULAIRE Les miroirs sont assemblés au bloc par adhérence moléculaire (ou collage optique) Deux surfaces planes sont mises en contact sans aucun apport de matière Technique couramment utilisée par les polisseurs pour assembler les pièces optiques sur les références En plus de la tenue mécanique, l’adhérence doit assurer la parfaite herméticité de la liaison à l’hélium -> aucune rayure ne doit constituer un chemin de fuite Une distance de quelques Å permet d’avoir des forces attractives suffisantes pour lier les deux surfaces Forces de van der Waals Liaisons hydrogène Liaisons covalentes La liaison hydrogène joue un prépondérant Besoin d’un film d’ eau de quelques couches moléculaires sur les surfaces lié aux radicaux Si-OH Maîtrise du caractère hydrophile de la surface via l’ « avivage » Transformation progressive des liaisons hydrogène en liaison covalentes (désorption des molécules d’eau) 32 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /04/ ASSEMBLAGE DES ÉLECTRODES Les électrodes métalliques doivent être fixées au bloc optique En assurant l’herméticité En absorbant la dilation différentielle avec le Zérodur® La liaison est assurée par un joint en indium écrasé à froid L’oxyde d’indium qui se forme au contact de l’air doit être supprimé par acidage pour permettre la création des liaison chimiques In -> métal In -> Zérodur® 33 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /04/ MISE EN ŒUVRE ÉLECTRONIQUE Une électronique de proximité met en œuvre les différentes fonctions de servitude Amorçage (quelques kV) et régulation du courant de décharge Activation du dither (+bruit blanc) Amplification/seuillage/comptage des signaux de frange – réjection du dither Asservissement de longueur de cavité Les gyromètres « numériques » intègrent toutes ces fonctions dans le même boîtier que le laser Ils sont alimentés en basse tension (5V) et fournissent toutes les informations directement au calculateur sur une ligne série (angles et surveillance fonctionnelle) GLC16 Sagem 34 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. GG1320 Honeywell /05/ Gyrolaser et navigation inertielle 35 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /05/ PRINCIPE DE LA NAVIGATION INERTIELLE La navigation par inertie permet de connaître de façon totalement autonome la position d’un mobile à partir de : La connaissance de sa position et de sa vitesse initiale La double intégration de son vecteur accélération dans le repère géographique terrestre [g] La connaissance de l’orientation du trièdre accélérométrique dans le repère terrestre demande : Un alignement initial sur la verticale locale et par rapport au nord La mesure des rotations du porteur pendant la navigation pour orienter le repère de mesure des accéléromètres [m] avec [g] Une centrale de navigation inertielle comporte donc 3 accéléromètres 3 gyromètres 36 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /05/ DEUX FAMILLES DE CENTRALES INERTIELLES Les centrales à plateforme stabilisée Accéléromètres et gyromètres sont montés sur une plateforme à cardans à 3 ou 4 axes Les accéléromètres sont physiquement alignés en permanence sur le repère géographique Les gyromètres détectent les petits mouvements de rotation du cœur de la plateforme : ce sont fondamentalement des détecteurs de 0 de vitesse angulaire Une boucle d’asservissement commande les moteurs des axes de cardan pour la ramener à l’horizontale et au nord 37 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /05/ DEUX FAMILLES DE CENTRALES INERTIELLES Les centrales à composants liés (strap-down) Accéléromètres et gyromètres sont sur un cœur fixe par rapport au porteur Le repère de mesure des accéléromètres évolue avec l’attitude du porteur Nécessité de mesurer avec précision et à haute fréquence les rotations du repère de mesure (= dynamique du porteur) Simplification de la mécanique – pas de pièce en mouvement La projection de l’accélération dans le repère d’intégration est faite par calcul Cette évolution a été rendu possible par Le développement des processeurs Le gyrolaser pouvant mesurer des rotations sur une forte dynamique avec un très bon facteur d’échelle L’intégration intrinsèque de la vitesse de rotation via le comptage des franges (mesure directe de l’angle). 38 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /05/ LE FACTEUR D’ÉCHELLE DU GYROLASER Le facteur d’échelle (FE) ne dépend au premier ordre que de la géométrie du parcours optique : La condition de résonnance, et l’asservissement de longueur de cavité garantit = Un asservissement à λ/10 donne une stabilité intrinsèque de λ/10.P, soit pour un gyrolaser de 30cm une valeur de 2 10-7 (0,2 ppm) La dispersion d’indice du milieu amplificateur vient dégrader cette performance, mais une modélisation en température du FE permet d’obtenir en série un écart rms < 1 ppm (en dehors de la non linéarité observée à la vitesse d’activation Ωd La précision du FE est le point fort du gyrolaser et a permis l’apparition de centrales inertielles de précision à composants liés. 39 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /06/ MODÉLISATION D’une façon générale, l’ensemble des erreurs de mesure du gyromètre est modélisé dans tout le domaine de température C’est la fidélité à ce modèle qui fait la performance du gyrolaser Cette modélisation (calibration) demande de disposer de moyens de mesure couplés à des enceintes climatiques Marbres fixes pour le biais (erreur de 0) Table tournante pour le facteur d’échelle 40 / CONFIDENTIEL / DAE / DIRECTION Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /06/ Moyens industriels 41 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /05/ USINE CORIOLIS L’usine Coriolis construite sur le site Sagem de Montluçon est conçue autour des produits inertiels Elle est pleinement opérationnelle depuis septembre 2011. Elle est principalement dédiée à la réalisation des centrales inertielles à gyrolaser 15 000 m2 dont 6000 m2 de salles blanches 300 personnes Une de type usine micro électronique organisée autour du flux et du concept de propreté De nombreux procédés de fabrication de haute technologie : Usinage/acidage de précision de matériaux vitreux Polissage de précision Superpoli et dépôt de couches minces optiques faible pertes Assemblages par adhérence moléculaire Bâtis de dégazage ultra vide et gestion de gaz purs Moyens d’essais en température (marbres et tables tournantes) Cet ensemble intègre les moyens de l’usinage du zérodur jusqu’à la recette des centrales inertielles dans un flux de production en ligne 42 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /06/ CONCLUSION Le gyrolaser un exemple d’une « manip » de physique qui devient un objet réalisé en grande série Il a permis, grâce à la simplification et à la baisse de coût par rapport aux technologies mécaniques à cardans précédentes, d’augmenter la diffusion de la navigation inertielle La navigation inertielle reste un besoin pour de nombreuses applications civiles et militaires (masquage GPS ou risque de brouillage) La maîtrise industrielle demande une connaissance approfondie de la physique mise en jeu, pour assurer la répétabilité des procédés de fabrication et des performances, et la durée de vie du gyromètre Dégradation des miroirs en interaction avec le plasma Etanchéité des liaison des électrodes Dégazages résiduels des éléments intra-cavité 43 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem. /07/ Merci pour votre attention Questions ? 44 / Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Sagem. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Sagem.
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