¿Qué es una brújula giroscópica y cómo podría ser utilizada por un rover planetario?

En los comentarios y enlaces debajo de la pregunta ¿Cómo sabe Curiosity cómo apuntar y mover su antena de alta ganancia en tiempo real? se menciona un girocompás.

Soy consciente de que los giroscopios pueden usarse para medir cambios de actitud, es decir, rotaciones, y que las brújulas convencionales pueden usarse para medir la actitud con respecto a un campo magnético externo.

Pero, ¿qué es una brújula giroscópica, según qué principio funciona y cómo podría usarse en el contexto de un rover planetario?

Sospecho que los "dispositivos de seguimiento inercial" que miden la aceleración y la integran para determinar la posición a menudo se describen erróneamente como girocompases. Deben poder determinar la orientación para saber cómo interpretar las señales de su acelerómetro, pero no son lo mismo que los girocompases descritos en las respuestas aquí.

Respuestas (3)

Los planetas giran. Coloque un giroscopio preciso sobre una mesa y podrá observar fácilmente la rotación de la tierra.

Un giroscopio de 3 ejes mide el eje de rotación y la velocidad angular a su alrededor. La velocidad angular es bastante poco importante ya que es una cantidad conocida de todos modos (tierra: 360°/24h), pero el conocimiento del eje de rotación demuestra ser valioso:

  • La componente horizontal del eje de rotación es la dirección norte-sur.

  • Su elevación (en grados por encima o por debajo del horizonte) es su latitud.

Para utilizar un giroscopio como brújula, el vehículo debe permanecer inmóvil durante varios minutos y el planeta debe tener suficiente rotación.

Entonces, el término girocompás se refiere a un giroscopio con suficiente sensibilidad para determinar la dirección de rotación de un planeta. ¿Es una subclase de giroscopio, no un instrumento claramente diferente? Sus dos viñetas hacen referencia a referencias de otros instrumentos para establecer horizontalidad. Si tuviera una brújula giroscópica montada en un rover, ¿qué información podría obtenerse sin hacer referencia también a otras mediciones?
@uhoh: sí, una brújula giroscópica es solo un giroscopio montado de manera que mide la rotación de un planeta. Si el plano horizontal no se conoce de otros instrumentos, la brújula giroscópica aún determina el norte verdadero, pero en coordenadas del cuerpo , lo que no es muy útil.
Bien, ya veo, te da un eje. Entonces, si tuviera un segundo eje, como la posición fija en una estrella, o "abajo" con un acelerómetro más un reloj, o una posición fija en el Sol más un reloj, entonces podría obtener la actitud móvil y apuntar la antena de alta ganancia como mencionado en la pregunta.
Una brújula giroscópica realmente no mide la rotación: usa la rotación para estabilizar su eje que apunta al norte, por lo que la rotación diaria no está torciendo el giroscopio. Una vez que una brújula giroscópica se alinea automáticamente, no obtiene más información sobre la rotación, solo la dirección.
@BobJacobsen: los mecánicos de hace un siglo lo hicieron. El 'girocompás' de una nave espacial es solo una IMU que determina el eje de rotación como se describe. También alimenta al INS cuando el vehículo está en movimiento.
@RainerP. Probablemente tenga razón acerca de los sistemas modernos no rotativos. Realmente me siento un poco viejo mientras trabajaba en la calibración de este ( hq.nasa.gov/alsj/19740003321_1974003321.pdf ) giroscopio giratorio de un eje para ver si era mejor un enfoque lunar-norte GC o IM alineado con el Sol. Para la corta duración de la misión, se eligió IM como más robusto, aunque requiere una configuración múltiple.

Una brújula giroscópica monta un giroscopio de una manera particular para que su eje (eventualmente) se autoalinee con el eje de rotación del planeta, por ejemplo, la Tierra. De esta manera, obtiene una indicación independiente del norte verdadero.

No depende de un campo magnético, que podría ser útil, por ejemplo, en Marte.

Funciona porque el planeta gira y lleva la montura. Si los ejes del planeta y del girocompás ya son paralelos, genial. De lo contrario, la rotación diaria de la caja aprieta el girocompás para alinearlo. En la Luna, con sus días largos y por lo tanto una rotación lenta, esto podría no funcionar bien.

Tenga en cuenta que esto es diferente de la idea habitual del giroscopio inercial "apunta en una dirección constante": una brújula giroscópica deliberadamente no hace eso, sino que gira su eje para que esté orientado hacia el norte.

¿Puedes encontrar una fuente que explique cómo un giroscopio se convierte en una geobrújula solo si está montado para que se mueva de cierta manera? Hay muchos tipos de giroscopios, solo algunos tienen una masa giratoria; también hay giroscopios basados ​​en luz (usualmente, pero no siempre, basados ​​en fibra óptica) y giroscopios basados ​​en estructuras MEMS vibrantes. Todos pueden medir la rotación, pero muchos no se "mueven" como usted describe.
@uhoh Wikipedia tiene información básica sobre un par de enfoques. en.m.wikipedia.org/wiki/Gyrocompass para la nostalgia esta descripción es difícil de superar ed-thelen.org/SperryManual-05.pdf Parte de la pregunta es el lenguaje: las personas razonables pueden diferir sobre si las plataformas inerciales no giratorias son “ giroscopios"
¡Ajá! Agradezco la distinción, aunque algunos dirían que no cuento como "personas razonables" ;-) El manual de Sperrry es una verdadera joya y un excelente recurso para abordar "¿Qué es una brújula giroscópica...?" ¿Considerarías ampliar un poco tu respuesta? ¡Creo que tienes una idea aquí que otros lectores apreciarán tanto como yo!

Gyrocompass es un tipo de brújula no magnética. Es similar en principio al giroscopio pero no igual. El principio es la precesión giroscópica.

Definitivamente se puede usar el giroscopio/brújula giroscópica para obtener una actitud tosca.

Si se encuentra en una latitud y longitud particulares, se puede calcular el vector de dirección de rotación que se mediría en el marco NEU local. Después de eso, se trata de encontrar la rotación que alineará el vector de dirección de rotación observado con el calculado. Esta es tu actitud en el marco Mars Center Mars Fixed. Esta información debe combinarse con el tiempo absoluto verdadero (o ángulo sideral) para obtener la actitud inercial.

Un péndulo de Foucault proporciona una buena demostración del efecto de la rotación que puede ser capturado por giroscopios a bordo.

Ejemplo de un péndulo de Foucault en el video El profesor de Dartmouth discute el péndulo de Foucault

Edité la respuesta y expliqué un poco más @uhoh