Os componentes principais dos Sistemas de Navegação Inercial (INS) — giroscópios e acelerômetros — são extremamente sensíveis a flutuações de temperatura. Essa sensibilidade decorre da dependência da temperatura nas propriedades físicas dos materiais: variações no módulo de elasticidade das microestruturas de silício; tensões térmicas causadas pela diferença nos coeficientes de expansão térmica (CTE) entre o silício e o vidro na embalagem MEMS; alterações no índice de refração da fibra óptica e na geometria da bobina em giroscópios de fibra óptica; e deriva induzida pela temperatura nas tensões de referência e nos ganhos dos amplificadores dentro dos circuitos eletrônicos.
A deriva térmica é particularmente crítica devido ao "efeito de amplificação por dupla integração": uma mudança de polarização induzida pela temperatura, quando submetida à dupla integração inerente aos cálculos de navegação, resulta em um erro de posicionamento que diverge quadraticamente com o tempo de navegação. Pesquisas indicam que o coeficiente de deriva térmica para acelerômetros MEMS pode atingir 0,54 mg/°C, enquanto a instabilidade de polarização de giroscópios MEMS em uma ampla faixa de temperatura pode chegar a 4,6°/h — níveis inaceitáveis para aplicações táticas.
Os mecanismos de deriva podem ser categorizados em três tipos:
• Efeitos térmicos nos materiais: A incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica (CTE) entre o silício e os materiais de encapsulamento gera tensão térmica, alterando a rigidez e a frequência de ressonância da estrutura sensora.
• Deriva dos parâmetros elétricos: Alterações induzidas pela temperatura em resistores, capacitores e tensões de referência dentro do circuito de detecção alteram o fator de escala e o deslocamento zero do sensor.
• Variações nos parâmetros ópticos (giroscópios de fibra óptica): Alterações no índice de refração da fibra óptica, combinadas com a expansão e contração térmica da bobina de fibra, alteram o comprimento do caminho óptico e a área equivalente.
Princípios matemáticos dos algoritmos de compensação de deriva térmica por partes
A principal tarefa da compensação da deriva térmica é estabelecer um modelo de mapeamento entre o viés e a temperatura — ou seja, calcular a função de erro:
Pesquisas indicam que o método polinomial adaptativo por partes pode alcançar uma precisão de compensação comparável à do método de tabela de consulta, exigindo significativamente menos parâmetros de compensação. Em relação aos erros de efeito de rumo em nível de sistema causados por flutuações de temperatura, um método de compensação baseado na expansão de Fourier das variações de temperatura pode reduzir o erro em 40% a 90%.
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