Un sistema de guía es un dispositivo virtual o físico, o un grupo de dispositivos que implementan un control del movimiento de un barco , avión , misil , cohete , satélite o cualquier otro objeto en movimiento. La orientación es el proceso de calcular los cambios en posición, velocidad, altitud y/o tasas de rotación de un objeto en movimiento necesarios para seguir una determinada trayectoria y/o perfil de altitud en función de información sobre el estado de movimiento del objeto. [1] [2] [3]
Un sistema de guía suele ser parte de un sistema de guía, navegación y control , mientras que la navegación se refiere a los sistemas necesarios para calcular la posición y orientación actuales basándose en datos de sensores como los de brújulas , receptores GPS , Loran-C , rastreadores de estrellas , medición inercial. unidades , altímetros , etc. La salida del sistema de navegación , la solución de navegación, es una entrada para el sistema de guía, entre otros como las condiciones ambientales (viento, agua, temperatura, etc.) y las características del vehículo (es decir, masa, control disponibilidad del sistema, correlación de los sistemas de control con el cambio de vector, etc.). En general, el sistema de guía calcula las instrucciones para el sistema de control, que comprende los actuadores del objeto (por ejemplo, propulsores , ruedas de reacción , alerones corporales , etc.), que son capaces de manipular la trayectoria de vuelo y la orientación del objeto sin contacto directo o directo. control humano continuo.
Uno de los primeros ejemplos de un verdadero sistema de guía es el utilizado en el V-1 alemán durante la Segunda Guerra Mundial . El sistema de navegación constaba de un simple giroscopio , un sensor de velocidad y un altímetro. Las instrucciones de guía fueron la altitud objetivo, la velocidad objetivo, el tiempo de crucero y el tiempo de apagado del motor.
Un sistema de orientación tiene tres subsecciones principales: Entradas, Procesamiento y Salidas. La sección de entrada incluye sensores , datos del curso , enlaces de radio y satélite , y otras fuentes de información. La sección de procesamiento, compuesta por una o más CPU , integra estos datos y determina qué acciones, si las hay, son necesarias para mantener o lograr un rumbo adecuado . Esto luego se envía a las salidas que pueden afectar directamente el curso del sistema. Las salidas pueden controlar la velocidad interactuando con dispositivos como turbinas y bombas de combustible , o pueden alterar más directamente el rumbo accionando alerones , timones u otros dispositivos.
Los sistemas de guía inercial se desarrollaron originalmente para cohetes. El pionero estadounidense de los cohetes, Robert Goddard, experimentó con sistemas giroscópicos rudimentarios . Los sistemas del Dr. Goddard fueron de gran interés para los pioneros alemanes contemporáneos, incluido Wernher von Braun . Los sistemas comenzaron a utilizarse más ampliamente con la llegada de las naves espaciales , los misiles guiados y los aviones comerciales .
La historia de la orientación en EE. UU. se centra en dos comunidades distintas. Uno fue expulsado del Caltech y del Jet Propulsion Laboratory de la NASA , el otro de los científicos alemanes que desarrollaron los primeros cohetes guiados V2 y del MIT . El sistema GN&C para V2 proporcionó muchas innovaciones y fue el arma militar más sofisticada en 1942 utilizando guía de circuito cerrado autónomo. Los primeros V2 aprovechaban 2 giroscopios y un acelerómetro lateral con una simple computadora analógica para ajustar el acimut del cohete en vuelo. Se utilizaron señales de computadora analógicas para impulsar 4 timones externos en las aletas de cola para el control de vuelo. Von Braun diseñó la entrega de 500 de sus principales científicos de cohetes, junto con planos y vehículos de prueba, a los estadounidenses. Llegaron a Fort Bliss, Texas en 1945 y posteriormente fueron trasladados a Huntsville, Alabama , en 1950 (también conocido como arsenal de Redstone ). [4] [5] La pasión de Von Braun eran los vuelos espaciales interplanetarios. Sin embargo, sus tremendas habilidades de liderazgo y su experiencia con el programa V-2 lo hicieron invaluable para el ejército estadounidense. [6] En 1955, el equipo de Redstone fue seleccionado para poner en órbita el primer satélite de Estados Unidos, colocando a este grupo en el centro del espacio tanto militar como comercial.
El Laboratorio de Propulsión a Chorro remonta su historia a la década de 1930, cuando el profesor de Caltech Theodore von Karman realizó un trabajo pionero en propulsión de cohetes . Financiado por Army Ordnance en 1942, los primeros esfuerzos del JPL eventualmente involucrarían tecnologías más allá de la aerodinámica y la química de los propulsores. El resultado del esfuerzo de Artillería del Ejército fue la respuesta del JPL al misil alemán V-2, llamado MGM-5 Corporal , lanzado por primera vez en mayo de 1947. El 3 de diciembre de 1958, dos meses después de que se creara la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). por el Congreso, el JPL fue transferido de la jurisdicción del Ejército a la de esta nueva agencia espacial civil. Este cambio se debió a la creación de un grupo centrado en el ejército derivado del equipo alemán V2. Por lo tanto, a partir de 1958, el JPL de la NASA y la tripulación de Caltech se centraron principalmente en vuelos no tripulados y se alejaron de las aplicaciones militares con algunas excepciones. La comunidad que rodea al JPL impulsó una enorme innovación en telecomunicaciones, exploración interplanetaria y monitoreo de la Tierra (entre otras áreas). [7]
A principios de la década de 1950, el gobierno de Estados Unidos quería protegerse contra la excesiva dependencia del equipo alemán para aplicaciones militares. Entre las áreas que fueron "desarrolladas" a nivel nacional estaba la guía de misiles. A principios de la década de 1950, la División de Desarrollo Occidental de la Fuerza Aérea eligió el Laboratorio de Instrumentación del MIT (que más tarde se convertiría en el Laboratorio Charles Stark Draper , Inc.) para proporcionar un sistema de guía autónomo de respaldo a Convair en San Diego para el nuevo sistema balístico intercontinental Atlas. misil . El supervisor técnico de la tarea del MIT fue un joven ingeniero llamado Jim Fletcher, quien más tarde se desempeñó como administrador de la NASA. El sistema de guía Atlas iba a ser una combinación de un sistema autónomo a bordo y un sistema de comando y seguimiento en tierra. Este fue el comienzo de una controversia filosófica que, en algunos ámbitos, sigue sin resolverse. El sistema autónomo finalmente prevaleció en las aplicaciones de misiles balísticos por razones obvias. En la exploración espacial queda una mezcla de ambos.
En el verano de 1952, el Dr. Richard Battin [8] y el Dr. J. Halcombe ("Hal") Laning Jr. investigaron soluciones de orientación basadas en computación a medida que la informática comenzaba a salirse del enfoque analógico. Como las computadoras de esa época eran muy lentas (y los misiles muy rápidos), era extremadamente importante desarrollar programas que fueran muy eficientes. El Dr. J. Halcombe Laning, con la ayuda de Phil Hankins y Charlie Werner, inició el trabajo en MAC, un lenguaje de programación algebraico para el IBM 650 , que se completó a principios de la primavera de 1958. MAC se convirtió en el caballo de batalla del laboratorio del MIT. . MAC es un lenguaje extremadamente legible que tiene un formato de tres líneas, notaciones de matrices vectoriales y subíndices mnemotécnicos e indexados. El lenguaje actual del transbordador espacial (STS), llamado HAL (desarrollado por Intermetrics, Inc.) es una rama directa de MAC. Dado que el arquitecto principal de HAL fue Jim Miller, coautor con Hal Laning de un informe sobre el sistema MAC, es razonable especular que el lenguaje del transbordador espacial lleva el nombre del antiguo mentor de Jim y no, como algunos han sugerido, de la superestrella electrónica de la película de Arthur Clarke "2001-A Space Odyssey". (Richard Battin, AIAA 82–4075, abril de 1982)
Hal Laning y Richard Battin emprendieron el trabajo analítico inicial sobre la guía inercial Atlas en 1954. Otras figuras clave en Convair fueron Charlie Bossart, el ingeniero jefe, y Walter Schweidetzky, jefe del grupo de guía. Walter había trabajado con Wernher von Braun en Peenemuende durante la Segunda Guerra Mundial.
El sistema de guía inicial "Delta" evaluó la diferencia de posición con respecto a una trayectoria de referencia. Se realiza un cálculo de velocidad a ganar (VGO) para corregir la trayectoria actual con el objetivo de llevar VGO a cero. Las matemáticas de este enfoque eran fundamentalmente válidas, pero abandonaron debido a los desafíos que planteaba la navegación inercial precisa (por ejemplo, la precisión de la IMU) y la potencia informática analógica. Los desafíos que enfrentaron los esfuerzos del "Delta" fueron superados por el "sistema Q" de guía. La revolución del sistema "Q" fue unir los desafíos de la guía de misiles (y las ecuaciones de movimiento asociadas) en la matriz Q. La matriz Q representa las derivadas parciales de la velocidad con respecto al vector de posición. Una característica clave de este enfoque permitió que los componentes del producto cruzado vectorial (v, xdv,/dt) se utilizaran como señales básicas de velocidad del piloto automático, una técnica que se conoció como "dirección de productos cruzados". El sistema Q se presentó en el primer Simposio Técnico sobre Misiles Balísticos celebrado en la Corporación Ramo-Wooldridge en Los Ángeles los días 21 y 22 de junio de 1956. El "Sistema Q" fue información clasificada durante la década de 1960. Las derivaciones de esta guía se utilizan para los misiles militares actuales. El equipo CSDL sigue siendo líder en orientación militar y participa en proyectos para la mayoría de las divisiones del ejército estadounidense.
El 10 de agosto de 1961 la NASA adjudicó al MIT un contrato para el estudio de diseño preliminar de un sistema de guía y navegación para el programa Apolo . [9] (ver Sistema de control, navegación y guía a bordo del Apollo, Dave Hoag, Conferencia de dedicación del Salón de la Fama del Espacio Internacional en Alamogordo , Nuevo México, octubre de 1976 [10] ). La guía del transbordador espacial actual se llama PEG4 (Powered Explicit Guidance). Tiene en cuenta tanto el sistema Q como los atributos predictor-corrector del sistema "Delta" original (PEG Guidance). Aunque se han realizado muchas actualizaciones del sistema de navegación del Shuttle en los últimos 30 años (por ejemplo, GPS en la versión OI-22), el núcleo de guía del sistema Shuttle GN&C actual ha evolucionado poco. Dentro de un sistema tripulado, se necesita una interfaz humana para el sistema de guía. Como los astronautas son los clientes del sistema, se forman muchos equipos nuevos que tocan GN&C ya que es una interfaz principal para "volar" el vehículo. [11] Para Apollo y STS (sistema Shuttle), CSDL "diseñó" la guía, McDonnell Douglas escribió los requisitos e IBM programó los requisitos.
Gran parte de la complejidad del sistema dentro de los sistemas tripulados está impulsada por la "gestión de redundancia" y el soporte de múltiples escenarios de "aborto" que brindan seguridad a la tripulación. Los sistemas de guía interplanetarios y lunares estadounidenses tripulados aprovechan muchas de las mismas innovaciones de guía (descritas anteriormente) desarrolladas en la década de 1950. Entonces, si bien la construcción matemática central de la guía se ha mantenido bastante constante, las instalaciones que rodean a GN&C continúan evolucionando para admitir nuevos vehículos, nuevas misiones y nuevo hardware. El centro de excelencia para la orientación tripulada sigue estando en el MIT (CSDL), así como en el antiguo McDonnell Douglas Space Systems (en Houston).