La orientación, navegación y control (abreviada GNC , GN&C o G&C ) es una rama de la ingeniería que se ocupa del diseño de sistemas para controlar el movimiento de vehículos, especialmente automóviles , barcos , aviones y naves espaciales . En muchos casos estas funciones pueden ser realizadas por humanos capacitados. Sin embargo, debido a la velocidad de, por ejemplo, la dinámica de un cohete, el tiempo de reacción humana es demasiado lento para controlar este movimiento. Por lo tanto, para dicho control se utilizan sistemas, ahora casi exclusivamente electrónicos digitales. Incluso en los casos en que los humanos pueden realizar estas funciones, suele ocurrir que los sistemas GNC brindan beneficios como aliviar la carga de trabajo del operador, suavizar las turbulencias, ahorrar combustible, etc. Además, las aplicaciones sofisticadas de GNC permiten el control automático o remoto .
La orientación se refiere a la determinación de la ruta de viaje deseada (la " trayectoria ") desde la ubicación actual del vehículo hasta un objetivo designado, así como los cambios deseados en velocidad, rotación y aceleración para seguir esa ruta. [1] [2] [3]
El control se refiere a la manipulación de las fuerzas, mediante controles de dirección, propulsores, etc., necesarias para ejecutar comandos de guía mientras se mantiene la estabilidad del vehículo . [ cita necesaria ]
Partes
Los sistemas de guía, navegación y control constan de 3 partes esenciales: navegación que rastrea la ubicación actual, guía que aprovecha los datos de navegación y la información del objetivo para dirigir el control de vuelo "adónde ir" y el control que acepta comandos de guía para afectar los cambios en la aerodinámica y/o o controles del motor.
Navegación
Es el arte de determinar dónde se encuentra, una ciencia que ha tenido un tremendo interés en 1711 con el premio de Longitud . Las ayudas a la navegación miden la posición desde un punto de referencia fijo (p. ej., punto de referencia, estrella polar, baliza LORAN), la posición relativa a un objetivo (p. ej., radar, infrarrojos, ...) o rastrean el movimiento desde una posición/inicial conocida. punto (por ejemplo, IMU). Los complejos sistemas actuales utilizan múltiples enfoques para determinar la posición actual. Por ejemplo, los sistemas de navegación más avanzados de la actualidad están incorporados en el misil antibalístico ; el misil estándar RIM-161 3 aprovecha los datos de GPS, IMU y del segmento terrestre en la fase de impulso y los datos de posición relativa para interceptar objetivos. Los sistemas complejos suelen tener redundancia múltiple para abordar la deriva, mejorar la precisión (por ejemplo, en relación con un objetivo) y abordar fallas aisladas del sistema. Por lo tanto, los sistemas de navegación reciben múltiples entradas de muchos sensores diferentes, tanto internos al sistema como externos (por ejemplo, actualización desde tierra). El filtro Kalman proporciona el enfoque más común para combinar datos de navegación (de múltiples sensores) para resolver la posición actual.
Guía
es el "conductor" de un vehículo. Recibe información del sistema de navegación (dónde estoy) y utiliza información de orientación (adónde quiero ir) para enviar señales al sistema de control de vuelo que permitirá que el vehículo llegue a su destino (dentro de las limitaciones operativas del vehículo). . Los "objetivos" de los sistemas de guía son uno o más vectores de estado (posición y velocidad) y pueden ser inerciales o relativos. Durante el vuelo motorizado, la guía calcula continuamente las direcciones de dirección para el control de vuelo. Por ejemplo, el transbordador espacial apunta a una altitud, un vector de velocidad y una gamma para apagar el motor principal. De manera similar, un misil balístico intercontinental también apunta a un vector. Los vectores objetivo se desarrollan para cumplir la misión y pueden planificarse previamente o crearse dinámicamente.
Control
El control de vuelo se logra de forma aerodinámica o mediante controles motorizados, como los motores. La guía envía señales al control de vuelo. Un piloto automático digital (DAP) es la interfaz entre guía y control. La orientación y el DAP son los encargados de calcular la instrucción precisa para cada control de vuelo. El DAP proporciona información para orientar sobre el estado de los controles de vuelo.
Ejemplos
Los sistemas GNC se encuentran esencialmente en todos los sistemas autónomos o semiautónomos. Éstas incluyen:
La navegación celeste es una técnica de fijación de posición que se diseñó para ayudar a los marineros a cruzar los océanos sin rasgos distintivos sin tener que depender de la navegación a estima para poder llegar a tierra. La navegación celeste utiliza medidas angulares (vistas) entre el horizonte y un objeto celeste común. El Sol se mide con mayor frecuencia. Los navegantes expertos pueden utilizar la Luna, los planetas o una de las 57 estrellas de navegación cuyas coordenadas están tabuladas en los almanaques náuticos. Las herramientas históricas incluyen un sextante , un reloj y datos de efemérides. El transbordador espacial actual y la mayoría de las naves espaciales interplanetarias utilizan sistemas ópticos para calibrar los sistemas de navegación inercial: Crewman Optical Alignment Sight (COAS), [4] Star Tracker. [5]
Las Unidades de Medición Inercial (IMU) son el principal sistema inercial para mantener la posición actual (navegación) y la orientación en misiles y aviones. Son máquinas complejas con uno o más giroscopios giratorios que pueden girar libremente en 3 grados de movimiento dentro de un complejo sistema de cardán . Las IMU se "activan" y calibran antes del lanzamiento. La mayoría de los sistemas complejos cuentan con un mínimo de tres IMU independientes. Además de la posición relativa, las IMU contienen acelerómetros que pueden medir la aceleración en todos los ejes. Los datos de posición, combinados con los datos de aceleración, proporcionan las entradas necesarias para "seguir" el movimiento de un vehículo. Las IMU tienen tendencia a "derivarse" debido a la fricción y la precisión. La corrección de errores para abordar esta desviación se puede proporcionar mediante telemetría de enlace terrestre , GPS , radar , navegación celeste óptica y otras ayudas a la navegación. Cuando se apunta a otro vehículo (en movimiento), los vectores relativos se vuelven primordiales. En esta situación, las ayudas a la navegación que proporcionan actualizaciones de la posición relativa al objetivo son más importantes. Además de la posición actual, los sistemas de navegación inercial también suelen estimar una posición prevista para futuros ciclos informáticos. Véase también Sistema de navegación inercial .
Navegación de largo alcance (LORAN): fue el predecesor del GPS y se utilizó (y hasta cierto punto todavía se utiliza) principalmente en el transporte marítimo comercial. El sistema funciona triangulando la posición del barco basándose en una referencia direccional a transmisores conocidos .
Sistema de posicionamiento global (GPS): el GPS fue diseñado por el ejército de EE. UU. con el objetivo principal de abordar la "deriva" dentro de la navegación inercial de los misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) antes del lanzamiento. El GPS transmite 2 tipos de señales: militar y comercial. La precisión de la señal militar está clasificada, pero se puede suponer que está muy por debajo de 0,5 metros. El segmento espacial del sistema GPS se compone de 24 a 32 satélites en órbita terrestre media a una altitud de aproximadamente 20.200 km (12.600 millas). Los satélites están en seis órbitas específicas y transmiten información horaria y de ubicación del satélite de alta precisión que se puede utilizar para derivar distancias y calcular la posición. [6]
Radar/Infrarrojos/Láser: Esta forma de navegación proporciona información de orientación relativa a un objetivo conocido , tiene aplicaciones tanto civiles (ex rendezvous) como militares.
Localización por infrarrojos : esta forma de orientación se utiliza exclusivamente para municiones militares, específicamente misiles aire-aire y tierra-aire . La cabeza buscadora del misil se centra en la firma infrarroja (calor) de los motores del objetivo (de ahí el término "misil buscador de calor"),
Localización ultravioleta, utilizada en el FIM-92 Stinger : más resistente a las contramedidas que el sistema de localización por infrarrojos.
Guía láser : un dispositivo designador láser calcula la posición relativa a un objetivo resaltado. La mayoría está familiarizada con los usos militares de la tecnología de bombas guiadas por láser . La tripulación del transbordador espacial aprovecha un dispositivo portátil para introducir información en la planificación de la cita. La principal limitación de este dispositivo es que requiere una línea de visión entre el objetivo y el designador.
Coincidencia del contorno del terreno ( TERCOM ). Utiliza un radar de escaneo terrestre para "comparar" la topografía con los datos de mapas digitales para fijar la posición actual. Utilizado por misiles de crucero como el Tomahawk (misil) .
^ Grewal, Mohinder S.; Weill, Lorenzo R.; Andrews, Angus P. (2007). Sistemas de posicionamiento global, navegación inercial e integración (2ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey, EE. UU.: Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc. p. 21.ISBN _ 978-0-470-04190-1.
^ Farrell, Jay A. (2008). Navegación Asistida: GPS con Sensores de Alta Velocidad . Estados Unidos: Las empresas McGraw-Hill. págs. 5 y siguientes. ISBN978-0-07-164266-8.
^ Pañero, CS; Wrigley, W.; Hoag, G.; Battin, RH; Molinero, E.; Koso, A.; Hopkins, Alabama; Vander Velde, WE (junio de 1965). Orientación y navegación del Apolo (PDF) (Reporte). Massachusetts: Instituto de Tecnología de Massachusetts, Laboratorio de Instrumentación. págs. I-3 y siguientes . Consultado el 12 de octubre de 2014 .
^ NASA.gov
^ NASA.gov
^ https://www.gps.gov/systems/gps/space/
enlaces externos
Conferencia AIAA GNC (anual)
Tierra Académica: Ingeniería de Sistemas Aeronáuticos: Clase 16 GNC. Phil Hattis-MIT
Georgia Tech: GNC: teoría y aplicaciones
Tecnología del transbordador de la NASA: GNC Archivado el 24 de septiembre de 2016 en la Wayback Machine.
Boeing: Defensa, espacio y seguridad: Estación espacial internacional: GNC
Princeton Satellite Systems: GNC de dirigibles de gran altitud. José Müller
