Sistema de guía

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Un sistema de guía es un dispositivo virtual o físico, o un grupo de dispositivos que implementan un control del movimiento de un barco , aeronave , misil , cohete , satélite o cualquier otro objeto en movimiento. La guía es el proceso de calcular los cambios en la 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 la información sobre el estado de movimiento del objeto. ^{[1] [2] [3]}

Un sistema de guía es usualmente 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 , unidades de medición inercial , altímetros , etc. La salida del sistema de navegación , la solución de navegación, es una entrada para el sistema de guía, entre otras como las condiciones ambientales (viento, agua, temperatura, etc.) y las características del vehículo (es decir, masa, disponibilidad del sistema de control, 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 , flaps de la carrocería , etc.), que pueden manipular la trayectoria de vuelo y la orientación del objeto sin control humano directo o continuo.

Uno de los primeros ejemplos de un verdadero sistema de guía es el que se utilizó en el V-1 alemán durante la Segunda Guerra Mundial . El sistema de navegación constaba de un simple giroscopio , un sensor de velocidad aerodinámica y un altímetro. Las instrucciones de guía eran la altitud objetivo, la velocidad objetivo, el tiempo de crucero y el tiempo de apagado del motor.

Un sistema de guía tiene tres subsecciones principales: Entradas, Procesamiento y Salidas. La sección de entrada incluye sensores , datos de rumbo , 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 rumbo del sistema. Las salidas pueden controlar la velocidad interactuando con dispositivos como turbinas y bombas de combustible , o pueden alterar el rumbo de manera más directa al accionar alerones , timones u otros dispositivos.

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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 entraron en uso más generalizado con la llegada de las naves espaciales , los misiles guiados y los aviones comerciales .

La historia de la orientación de EE. UU. se centra en dos comunidades distintas. Una impulsada por Caltech y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA , la otra por los científicos alemanes que desarrollaron la guía temprana del cohete V2 y el MIT . El sistema GN&C para V2 proporcionó muchas innovaciones y fue el arma militar más sofisticada en 1942 utilizando una guía de bucle cerrado autónoma. Los primeros V2 aprovecharon 2 giroscopios y un acelerómetro lateral con una computadora analógica simple para ajustar el acimut del cohete en vuelo. Las señales de computadora analógica se usaron para impulsar 4 timones externos en las aletas de cola para el control de vuelo. Von Braun diseñó la rendición de 500 de sus principales científicos de cohetes, junto con planes 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 era el vuelo espacial interplanetario. Sin embargo, sus tremendas habilidades de liderazgo y su experiencia con el programa V-2 lo hicieron invaluable para el ejército de los EE. UU. ^[6] En 1955, el equipo Redstone fue seleccionado para poner en órbita el primer satélite de los Estados Unidos, colocando a este grupo en el centro del espacio militar y comercial.

El Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, por sus siglas en inglés) tiene su origen en 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 las de la aerodinámica y la química de los propulsores. El resultado del esfuerzo de Army Ordnance 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 el Congreso creara la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), 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 enfocado en lo militar derivado del equipo alemán V2. Por lo tanto, a partir de 1958, la NASA JPL y la tripulación de Caltech se centraron principalmente en el vuelo no tripulado y se alejaron de las aplicaciones militares con unas pocas 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 los años 50, el gobierno de Estados Unidos quería protegerse de una dependencia excesiva del equipo alemán para aplicaciones militares. Entre las áreas que se "desarrollaron" a nivel nacional estaba la guía de misiles. A principios de los años 50, el Laboratorio de Instrumentación del MIT (que más tarde se convertiría en el Laboratorio Charles Stark Draper , Inc.) fue elegido por la División de Desarrollo Occidental de la Fuerza Aérea para proporcionar un sistema de guía autónomo de respaldo a Convair en San Diego para el nuevo misil balístico intercontinental Atlas . El supervisor técnico de la tarea del MIT fue un joven ingeniero llamado Jim Fletcher, que 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 seguimiento y comando basado en tierra. Este fue el comienzo de una controversia filosófica que, en algunas áreas, sigue sin resolverse. El sistema autónomo finalmente prevaleció en las aplicaciones de misiles balísticos por razones obvias. En la exploración espacial, sigue existiendo una mezcla de los dos.

En el verano de 1952, el Dr. Richard Battin ^[8] y el Dr. J. Halcombe ("Hal") Laning Jr. investigaron soluciones computacionales para la orientación a medida que la computación 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 algebraica 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 matriz vectorial y subíndices mnemotécnicos e indexados. El lenguaje del transbordador espacial (STS) actual llamado HAL (desarrollado por Intermetrics, Inc.) es una derivación directa de MAC. Dado que el arquitecto principal de HAL fue Jim Miller, coautor junto con Hal Laning de un informe sobre el sistema MAC, es razonable especular que el lenguaje del transbordador espacial recibe su nombre del antiguo mentor de Jim y no, como algunos han sugerido, de la superestrella electrónica de la película de Arthur Clarke "2001: Una odisea del espacio" (Richard Battin, AIAA 82–4075, abril de 1982).

Hal Laning y Richard Battin se hicieron cargo del trabajo analítico inicial sobre el guiado inercial del Atlas en 1954. Otras figuras clave de Convair fueron Charlie Bossart, el ingeniero jefe, y Walter Schweidetzky, jefe del grupo de guiado. 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 realizó un cálculo de la velocidad a ganar (VGO) para corregir la trayectoria actual con el objetivo de llevar la VGO a cero. Las matemáticas de este enfoque eran fundamentalmente válidas, pero se abandonaron debido a los desafíos en la navegación inercial precisa (por ejemplo, la precisión de la IMU) y la potencia de cálculo analógica. Los desafíos que enfrentaron los esfuerzos "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 vectorial (v, xdv,/dt) se usaran como señales básicas de velocidad del piloto automático, una técnica que se conoció como "dirección de producto vectorial". El sistema Q se presentó en el primer Simposio Técnico sobre Misiles Balísticos celebrado en la Corporación Ramo-Wooldridge en Los Ángeles el 21 y 22 de junio de 1956. El "Sistema Q" fue información clasificada hasta la década de 1960. Las derivaciones de esta guía se utilizan para los misiles militares actuales. El equipo del CSDL sigue siendo líder en la guía militar y participa en proyectos para la mayoría de las divisiones del ejército de los EE. UU.

El 10 de agosto de 1961, la NASA le otorgó al MIT un contrato para el estudio preliminar del diseño de un sistema de guía y navegación para el programa Apolo . ^[9] (ver Sistema de guía, navegación y control a bordo del Apolo, Dave Hoag, Conferencia de inauguración del Salón Internacional de la Fama del Espacio en Alamogordo , NM, octubre de 1976 ^[10] ). La guía del transbordador espacial actual se llama PEG4 (Guía explícita potenciada). Tiene en cuenta tanto el sistema Q como los atributos predictores-correctores del sistema "Delta" original (Guía PEG). Aunque se han realizado muchas actualizaciones del sistema de navegación del transbordador en los últimos 30 años (por ejemplo, el GPS en la versión OI-22), el núcleo de guía del sistema GN&C del transbordador 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 el Apollo y el sistema STS (Shuttle), CSDL "diseñó" la guía, McDonnell Douglas escribió los requisitos e IBM programó los requisitos.

Gran parte de la complejidad de los sistemas tripulados se debe a la "gestión de redundancia" y al apoyo de múltiples escenarios de "aborto" que garantizan la seguridad de la tripulación. Los sistemas de guía tripulados lunares e interplanetarios de Estados Unidos aprovechan muchas de las mismas innovaciones en materia de guía (descritas anteriormente) desarrolladas en la década de 1950. Por lo tanto, si bien el concepto matemático básico de guía se ha mantenido bastante constante, las instalaciones que rodean a GN&C siguen evolucionando para dar soporte a nuevos vehículos, nuevas misiones y nuevo hardware. El centro de excelencia para la guía tripulada sigue estando en el MIT (CSDL), así como en el antiguo McDonnell Douglas Space Systems (en Houston).

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• Espoleta de proximidad magnética
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• Introducción a las matemáticas y los métodos de la astrodinámica, edición revisada (Serie educativa de la AIAA) Richard Battin, mayo de 1991
• La evolución de la orientación espacial: una narración personal, Richard Battin, AIAA 82–4075, abril de 1982