Orientación, navegación y control

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Guidance, navigation and control (abreviado 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 , aeronaves y naves espaciales . En muchos casos, estas funciones pueden ser realizadas por humanos entrenados. Sin embargo, debido a la velocidad de, por ejemplo, la dinámica de un cohete, el tiempo de reacción humano es demasiado lento para controlar este movimiento. Por lo tanto, se utilizan sistemas, ahora casi exclusivamente electrónicos digitales, para dicho control. Incluso en los casos en que los humanos pueden realizar estas funciones, a menudo ocurre que los sistemas GNC brindan beneficios como aliviar la carga de trabajo del operador, suavizar la turbulencia, ahorrar combustible, etc. Además, las aplicaciones sofisticadas de GNC permiten el control automático o remoto .

• La guía 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]}

• La navegación se refiere a la determinación, en un momento dado, de la ubicación y velocidad del vehículo (el " vector de estado ") así como de su actitud. ^{[ cita requerida ]}
• El control se refiere a la manipulación de las fuerzas, a través de controles de dirección, propulsores, etc., necesarias para ejecutar comandos de guía mientras se mantiene la estabilidad del vehículo . ^{[ cita requerida ]}

Los sistemas de guía, navegación y control constan de tres partes esenciales: navegación , que rastrea la ubicación actual, guía , que aprovecha los datos de navegación y la información del objetivo para indicar al control de vuelo "dónde ir", y control , que acepta comandos de guía para efectuar cambios en los controles aerodinámicos y/o del motor.

Navegación

es el arte de determinar dónde se encuentra, una ciencia que ha visto un enfoque tremendo en 1711 con el premio Longitud . Las ayudas a la navegación miden la posición desde un punto de referencia fijo (p. ej., punto de referencia, estrella del norte, baliza LORAN), la posición relativa a un objetivo (p. ej., radar, infrarrojos, ...) o rastrean el movimiento desde una posición/punto de inicio conocido (p. ej., IMU). Los sistemas complejos de hoy utilizan múltiples enfoques para determinar la posición actual. Por ejemplo, los sistemas de navegación más avanzados de la actualidad están incorporados dentro del misil antibalístico , el misil estándar RIM-161 3 aprovecha los datos del GPS, la IMU y el segmento terrestre en la fase de impulso y los datos de posición relativa para la orientación de intercepción. Los sistemas complejos suelen tener redundancia múltiple para abordar la deriva, mejorar la precisión (p. ej., relativa a un objetivo) y abordar fallas aisladas del sistema. Por lo tanto, los sistemas de navegación toman múltiples entradas de muchos sensores diferentes, tanto internos al sistema como externos (p. ej., actualización basada en tierra). El filtro Kalman proporciona el enfoque más común para combinar datos de navegación (de múltiples sensores) para resolver la posición actual.

Guía

El conductor es el "conductor" de un vehículo. Recibe información del sistema de navegación (dónde estoy) y utiliza la información de orientación (adónde quiero ir) para enviar señales al sistema de control de vuelo que permitirán 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 propulsado, la guía calcula continuamente las direcciones de dirección para el control del vuelo. Por ejemplo, el transbordador espacial fija una altitud, un vector de velocidad y una gamma para hacer que se apague el motor principal. De manera similar, un misil balístico intercontinental también fija un vector. Los vectores de objetivo se desarrollan para cumplir la misión y pueden planificarse previamente o crearse dinámicamente.

Control

El control de vuelo se lleva a cabo de forma aerodinámica o mediante controles motorizados, como motores. El sistema de guiado envía señales al control de vuelo. Un piloto automático digital (DAP) es la interfaz entre el sistema de guiado y el control. El sistema de guiado y el DAP son responsables de calcular la instrucción precisa para cada control de vuelo. El DAP proporciona información al sistema de guiado sobre el estado de los controles de vuelo.

Los sistemas GNC se encuentran en prácticamente todos los sistemas autónomos o semiautónomos. Entre ellos se incluyen:

• Pilotos automáticos
• Coches sin conductor , como los exploradores de Marte o los que participan en el Gran Desafío DARPA
• Misiles guiados
• Sistemas de lanzamiento aéreo guiados con precisión
• Sistemas de control de reacción para naves espaciales
• Vehículos de lanzamiento de naves espaciales
• Vehículos aéreos no tripulados
• Tractores con dirección automática
• Vehículo submarino autónomo

Ejemplos relacionados son:

• La navegación astronómica es una técnica de determinación de la posición que se ideó para ayudar a los navegantes a cruzar océanos sin tener que depender de la estimación para poder alcanzar tierra. La navegación astronómica utiliza mediciones angulares (visiones) entre el horizonte y un objeto celeste común. El Sol es el objeto que se mide con mayor frecuencia. Los navegantes expertos pueden utilizar la Luna, los planetas o una de las 57 estrellas de navegación cuyas coordenadas se tabulan en los almanaques náuticos. Las herramientas históricas incluyen un sextante , un reloj y datos de efemérides. Los transbordadores espaciales actuales y la mayoría de las naves espaciales interplanetarias utilizan sistemas ópticos para calibrar los sistemas de navegación inercial: mira de alineación óptica para tripulantes (COAS), ^[4] rastreador de estrellas. ^[5]
• Las unidades de medición inercial (IMU) son el sistema inercial principal para mantener la posición actual (navegación) y la orientación en misiles y aeronaves. Son máquinas complejas con uno o más giroscopios giratorios que pueden girar libremente en 3 grados de movimiento dentro de un sistema de cardán complejo . Las IMU se "activan" y calibran antes del lanzamiento. En la mayoría de los sistemas complejos hay un mínimo de 3 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 "rastrear" el movimiento de un vehículo. Las IMU tienen una tendencia a "desviarse" 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 celestial 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 de cálculo. Véase también Sistema de navegación inercial .
• La guía astroinercial es una fusión de sensores / información de la guía inercial y la navegación celestial.
• Navegación de largo alcance (LORAN): fue el predecesor del GPS y se utilizó (y, en cierta medida, todavía se utiliza) principalmente en el transporte marítimo comercial. El sistema funciona triangulando la posición del barco basándose en la referencia direccional a transmisores conocidos .
• Sistema de posicionamiento global (GPS): el GPS fue diseñado por el ejército de los EE. UU. con el propósito principal de abordar la "deriva" dentro de la navegación inercial de misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) antes del lanzamiento. El GPS transmite dos tipos de señales: militares y comerciales. La precisión de la señal militar es clasificada, pero se puede suponer que es muy inferior a los 0,5 metros. El segmento espacial del sistema GPS está compuesto por 24 a 32 satélites en órbita terrestre media a una altitud de aproximadamente 20.200 km (12.600 mi). Los satélites están en seis órbitas específicas y transmiten información de tiempo y ubicación satelital de alta precisión que se puede utilizar para derivar distancias y calcular la posición. ^[6]

• Radar/Infrarrojos/Láser: Esta forma de navegación proporciona información para orientarse respecto a un objetivo conocido , tiene aplicaciones tanto civiles (por ejemplo, puntos de encuentro) como militares.
  • activo (emplea su propio radar para iluminar el objetivo ),
  • pasivo (detecta las emisiones del radar del objetivo),
  • localización por radar semiactiva
  • Búsqueda por infrarrojos  : esta forma de guía se utiliza exclusivamente para municiones militares, en concreto misiles aire-aire y tierra-aire . El cabezal buscador del misil se dirige hacia la señal infrarroja (calor) de los motores del objetivo (de ahí el término "misil buscador de calor").
  • Sistema de localización ultravioleta, utilizado en el FIM-92 Stinger : más resistente a las contramedidas que el sistema de localización por infrarrojos
  • Guía láser  : un dispositivo de designación láser calcula la posición relativa a un objetivo resaltado. La mayoría de las personas están familiarizadas con los usos militares de la tecnología en las bombas guiadas por láser . La tripulación del transbordador espacial utiliza 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 de contornos del terreno ( TERCOM ). Utiliza un radar de exploración terrestre para "comparar" la topografía con los datos de un mapa digital y fijar la posición actual. Se utiliza en misiles de crucero como el Tomahawk (familia de misiles) .

• Conferencia anual de la AIAA GNC
• Tierra académica: Ingeniería de sistemas aeronáuticos: Lección 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 Wayback Machine
• Boeing: Defensa, espacio y seguridad: Estación espacial internacional: GNC
• Princeton Satellite Systems: GNC de dirigibles de gran altitud. Joseph Mueller Archivado el 11 de junio de 2014 en Wayback Machine.
• CEAS: Conferencia EuroGNC