Dirigir un satèl·lit amb tecnologies GNC

GNC vol dir «guiatge», «navegació» i «control». L’ordre seqüencial estricte seria: 1) la navegació, que és la part del sistema que proporciona una estimació de la posició, la velocitat i l’actitud del nostre sistema; 2) el guiatge, que calcula l’estat de referència, la posició, la velocitat i l’actitud per anar des d’on es troba el sistema fins on vol o ha de ser, i 3) el control, que calcula les accions (normalment forces i moments) que són necessàries per seguir l’estat de referència proporcionat pel guiatge. Aquesta definició es pot aplicar a tot tipus de sistemes: un cotxe, un braç robòtic, un satèl·lit, una sonda de l’espai profund o fins i tot un ésser humà.

Però simplifiquem-ho; el sistema GNC és, en poques paraules, el controlador del satèl·lit, el component que fa que una sonda espacial pugui anar a l’esquerra o a la dreta, aterrar suaument a Mart o a la Lluna, o bé impactar contra un asteroide.

Darrere d’aquesta definició genèrica, les diferències entre els subsistemes GNC a bord en els diferents tipus de missions espacials són enormes per les diferències entre les lleis dinàmiques de cada escenari, els sensors disponibles (els ulls del sistema GNC), els actuadors disponibles (els braços i les cames del sistema GNC) i el propòsit, l’objectiu o els requisits finals del vehicle espacial (les raons per les quals està volant). Si bé les tecnologies algorítmiques bàsiques utilitzades per a les tres funcions de GNC a bord són moltes vegades comunes, l’aplicació en els diferents escenaris espacials és la majoria de les vegades molt diferent. D’altra banda, els sistemes GNC estan organitzats en modes (que són diferents versions del GNC segons les necessitats/fases específiques de la missió) gestionats per una funció GNC Mode Manager i, en general, els subsistemes GNC a bord també inclouen una funció dedicada a la detecció, identificació i recuperació de fallades (FDIR).

La funció de navegació se sol basar en filtres recursius (per permetre la propagació en el temps en cas de necessitat i per tenir una memòria d’efectes que perduren en el temps) a fi de fusionar els diferents mesuraments disponibles. Normalment, l’estimació d’actitud i la de posició/velocitat (PV) estan desacoblades, si bé en determinats escenaris estan acoblades i el vector de l’estat de filtre pot incloure molts estats (inclosa l’estimació d’altres paràmetres rellevants, com desviacions desconegudes dels mesuraments que s’estimen per millorar la precisió final de la navegació).

Els filtresutilitzats més habitualment són els Kalman (en totes les variants). En general, la funció de control es basa en tècniques clàssiques (como PD/PID) o robustes (com ara tècniques µ o H∞), més freqüents avui dia per a escenaris més exigents. Les tècniques robustes permeten garantir les prestacions del control en presència d’incerteses (per causa de pertorbacions espacials o incerteses del sistema, com ara coneixement inexacte del centre de massa, modes flexibles dels panells solars o «sloshing» del combustible).

La funció de guiatge depèn molt més de l’escenari que les altres dues perquè està molt més relacionada amb la resolució de les lleis de la dinàmica de cada escenari.

Pel que fa a als escenaris i a l’aplicació de GNC en aquests, un sistema GNC pot dirigir (llista no exhaustiva) satèl·lits en òrbites terrestres circulars baixes (LEO), com ara satèl·lits d’observació de la Terra; satèl·lits en òrbites circulars MEO/GEO, com ara satèl·lits de telecomunicacions; satèl·lits en punts d’equilibri orbital, com ara punts lagrangians (p. ex., telescopis); satèl·lits en òrbites molt el·líptiques, com ara PROBA3, en què la part de l’apogeu de l’òrbita proporciona unes condicions de baixes pertorbacions que permeten objectius científics precisos com l’observació de la corona solar; satèl·lits interplanetaris, per exemple els que recorren el trajecte cap a la Lluna, Mart o asteroides; satèl·lits en òrbita al voltant d’un cos central no terrestre (p. ex., orbitant al voltant de la Lluna o de Mart) o d’un cos central de gravetat molt febre (p. ex., orbitant al voltant d’una lluna de Mart o d’un asteroide/cometa); sondes de reentrada planetària (amb atmosfera com la Terra o Mart); sondes d’aterratge planetari (sense atmosfera com la Lluna); llançadors; rovers d’exploració planetària; recol·lectors de mostres d’asteroides; etc. Aquesta llista fa referència a missions d’un sol vehicle espacial. Quan parlem de missions amb diversos vehicles espacials, un sistema GNC pot dirigir la neteja de l’espai al voltant de la Terra (retirada de residus orbitals) o la reparació de plataformes amb incidències (missions de servei on una nau espacial s’acosta a una altra plataforma, controlada o no controlada, i hi interacciona per reparar-la o reabastir-la de combustible), missions de vol en formació (en què dues o més naus espacials volen en formació actuant com en una única estructura virtual rígida, com ara la missió PROBA3 durant la fase d’apogeu de l’òrbita el·líptica, o bé telescopis que necessiten una distància focal més llarga que la que es pot aconseguir amb una sola estructura física, com la nova generació esperada de telescopis per detectar exoplanetes), eixams de satèl·lits col·laboratius o eixams de rovers exploradors planetaris o per construcció d’infraestructures. GMV, a través de la seva Unitat de Segment de Vol i Robòtica, ha participat en activitats relacionades amb GNC per a tots aquests escenaris al llarg de la seva dilatada experiència (principalment amb l’Agència Europea de l’Espai) en els últims 30 anys.

Per a totes les naus espacials i missions esmentades, l’estimació d’actitud generalment es basa en la combinació de tres sensors:

sensors solars, per detectar el sol i garantir la possibilitat d’orientar els panells solars cap al sol després de la separació del llançador o en cas de problemes durant la missió; «star trackers», per obtenir informació d’orientació precisa relativa a les estrelles, i giroscopis, per poder propagar l’estimació d’actitud quan la velocitat és superior al límit dels «star trackers» o per detectar/corregir una situació en què existeixi una alta velocitat de rotació no desitjada, com ara una fallada de propulsió, una col·lisió amb un tros de residu espacial o una fallada en la separació del llançador.

Normalment, l’estimació de la posició i la velocitat es basa en l’ús de receptors GNSS a bord (en òrbites al voltant de la Terra) i mesuraments d’abast des d’estacions terrestres (per a òrbites interplanetàries o òrbites molt altes al voltant de la Terra). Per a missions amb diverses naus espacials o missions de superfície planetària, la navegació relativa se sol basar en l’ús de càmeres (visuals, infraroges) i sensors làser (per exemple, Lidar), combinats amb tècniques de processament d’imatges 2D/3D per obtenir coneixement/consciència de la posició i l’orientació del vehicle espacial en relació amb el seu voltant (una segona nau espacial en el cas de missions de retirada de residus espacials / manteniment orbital o la topografia de la superfície en el cas d’un vehicle de superfície). Els mitjans d’actuació se solen basar en propulsors i rodes de reacció en el cas de naus espacials orbitals (combinats amb dispositius/manipuladors robòtics per a missions de servei) i rodes/sistemes de salt en el cas de vehicles de superfície.

Tot això amb la idea de volar lluny i de manera segura.

Autor: Pablo Colmenarejo Matellano