Dirigir un satélite con tecnologías GNC

Hoy vamos a hablar de GNC: Guiado, Navegación y Control.

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¿Qué es un sistema GNC? ¿Cuál es su espectro de aplicabilidad dentro de las misiones espaciales?

GNC significa “Guidance”, “Navigation” y “Control”. El orden secuencial estricto sería: 1) la Navegación (la parte del sistema que proporciona una estimación de la posición, velocidad y actitud de nuestro sistema), 2) el Guiado (calcula el estado de referencia, posición, velocidad y actitud para ir desde donde se encuentra el sistema hasta donde quiere/debe estar el sistema) y 3) el Control (calcula las acciones –usualmente fuerzas y momentos – que son necesarias para seguir el estado de referencia proporcionado por el Guiado). Esta definición es aplicable a todo tipo de sistemas: un automóvil, un brazo robótico, un satélite, una sonda del espacio profundo o incluso un ser humano.

Pero hagámoslo simple. El GNC es, en pocas palabras, el controlador del satélite. Gracias a él, una sonda espacial puede ir a la izquierda, puede ir a la derecha, puede aterrizar suavemente en la Luna o Marte, puede impactar contra un asteroide, puede observar un cuerpo celeste.

Detrás de esta definición genérica, las diferencias del subsistema GNC a bordo para diferentes tipos de misiones espaciales son enormes debido a las diferencias entre los efectos dinámicos predominantes, los sensores disponibles (“los ojos del GNC”), los actuadores disponibles (“los brazos y piernas del GNC”) y el propósito/objetivo/requisitos finales del vehículo espacial (las razones por las que está volando). Si bien las tecnologías base (a nivel de algoritmos) utilizadas para las tres funciones GNC son muchas veces comunes, la aplicación a los diferentes escenarios espaciales es la mayoría de las veces muy diferente. Por otro lado, los sistemas GNC están organizados en “modos” (que son diferentes ”versiones” del GNC según las necesidades / fases específicas de la misión) gestionados por una función “GNC Modes Manager” y, por lo general, el subsistema GNC también incluye una función dedicada a la detección, identificación y recuperación de fallos (FDIR).

La función de “Navegación” suele basarse en filtros recursivos (para permitir la propagación en el tiempo en caso de necesidad y retener “memoria” de efectos que perduran en el tiempo) con el objetivo de fusionar las diferentes medidas disponibles. La estimación de actitud y la estimación de posición / velocidad (PV) generalmente están desacopladas pero, en ciertos escenarios, la actitud y la estimación de PV están acopladas y el vector de estado del filtro incluirá muchos estados (incluyendo también la estimación de otros parámetros relevantes como errores constantes desconocidos de las medidas que se estimarán para mejorar la precisión final de la navegación). Los filtros ​​más comúnmente usados son los filtros Kalman (en sus múltiples variantes).

La función de “Control” se basa generalmente en técnicas clásicas (como PD / PID) o, más frecuentemente en la actualidad para escenarios más exigentes, en técnicas robustas (como técnicas µ o H∞). Las técnicas robustas permiten garantizar las prestaciones del Control en presencia de incertidumbres (debido a perturbaciones espaciales o incertidumbres del sistema, como conocimiento inexacto del centro de masas, modos flexibles de los paneles solares o “sloshing” del combustible).

La función de “Guiado” depende mucho más del escenario que las otras dos porque está mucho más relacionada con las leyes de la dinámica predominantes en el escenario específico.

En términos de escenarios y aplicaciones del GNC a los escenarios, un sistema GNC puede “conducir” (lista no exhaustiva): satélites en órbitas terrestres circulares bajas LEO (por ejemplo, satélites de observación de la Tierra), satélites en órbitas circulares MEO / GEO (por ejemplo, satélites de telecomunicaciones), satélites en puntos de equilibrio orbital, como los puntos lagrangianos (por ejemplo, telescopios), satélites en órbitas muy elípticas (por ejemplo, PROBA3 donde la parte del apogeo de la órbita proporciona unas condiciones de bajas perturbaciones que permite la realización de ciencia precisa, en este caso la observación de la corona solar), satélites interplanetarios (por ejemplo, en trayecto hacia la Luna, Marte o asteroides/cometas), satélites en órbita alrededor de un cuerpo central no terrestre (por ejemplo, orbitando la Luna o Marte) o alrededor de un cuerpo central de gravedad muy débil (por ejemplo, orbitando una luna de Marte o un asteroide/cometa), sondas de re-entrada (con atmósfera como la Tierra o Marte), sondas de aterrizaje planetario (sin atmósfera como la Luna), lanzadores, rovers de exploración planetaria, recolectores de muestras de asteroides,… La lista anterior se refiere a misiones de un solo vehículo espacial. Cuando hablamos de misiones con múltiples vehículos espaciales, el sistema GNC puede habilitar la limpieza del espacio alrededor de la Tierra (misiones de retirada de basura orbital) o la reparación de plataformas que han fallado (misiones de servicio, donde una nave espacial se acercará e interactuará con otra plataforma, controlada o no controlada, para reparación o re-abastecimiento de combustible), misiones de vuelo en formación (donde dos o más naves espaciales volarán en formación actuando como en una única estructura virtual rígida, por ejemplo, la misión PROBA3 durante la fase de apogeo de la órbita elíptica, o telescopios que necesitan una distancia focal más larga que la que se puede lograr con una sola estructura física, como la nueva generación esperada de telescopios para detección de exo-planetas), enjambres de satélites colaborativos o enjambres de rovers exploradores planetarios o para construcción de infraestructuras. GMV, a través de su Unidad de Segmento de Vuelo y Robótica, ha participado en actividades relacionadas con el GNC para todos estos escenarios a lo largo de su dilatada experiencia (principalmente con la Agencia Europea del Espacio) en los últimos 30 años.

Para todas las misiones mencionadas, la estimación de la actitud generalmente se basa en la combinación de tres sensores: Sensores Solares (para detectar el Sol y garantizar la posibilidad de orientar los paneles solares hacia el Sol después de la separación del lanzador y / o en caso de problemas durante la misión), Star Trackers (para obtener información de orientación precisa con respecto a las estrellas) y giroscopios (para poder propagar la estimación de actitud cuando la velocidad de rotación es superior al límite de los Star Trackers o para detectar / corregir un situación en la que existe una alta velocidad de rotación no deseada, como un fallo de propulsión, una colisión con un trozo de basura espacial o un fallo en la separación del lanzador). La estimación de la posición y la velocidad se basa generalmente en el uso de receptores GNSS a bordo (en órbitas alrededor de la Tierra) y/o mediciones de distancia/velocidad desde estaciones terrestres (para órbitas interplanetarias u órbitas muy altas alrededor de la Tierra). Para misiones con múltiples vehículos espaciales o misiones de superficie planetaria, la navegación relativa se basa generalmente en el uso de cámaras (visuales, infrarrojas) y sensores láser (por ejemplo, Lidar), combinados con técnicas de procesamiento de imágenes 2D / 3D para obtener conocimiento / conciencia de la posición y orientación del vehículo espacial con respecto a sus alrededores (una segunda nave espacial en el caso de misiones de retirada de basura espacial / mantenimiento orbital o la topografía de la superficie en el caso de un vehículo de superficie). Los medios de actuación generalmente se basan en propulsores y ruedas de reacción en el caso de naves espaciales orbitales (combinados con dispositivos / manipuladores robóticos para misiones de servicio) y ruedas / sistemas de salto en el caso de vehículos de superficie.

Y todo esto, ¡con la idea de volar en el espacio lejos y de manera segura!.

Autor: Pablo Colmenarejo Matellano. 

Las opiniones vertidas por el autor son enteramente suyas y no siempre representan la opinión de GMV
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