Sterowanie satelitą za pomocą technologii GNC

GNC oznacza „Guidance (naprowadzanie)”, „Navigation (nawigację)” i „Control (sterowanie)”.

Ścisła kolejność sekwencyjna przedstawiałaby się następująco:

1) Nawigacja (część systemu dokonująca oszacowania pozycji, prędkości i wysokości naszego systemu), 2) Naprowadzanie (oblicza stan odniesienia, położenie, prędkość i wysokość, aby dokonać przemieszczenia z miejsca, w którym system się znajduje, do miejsca, w którym system chce się znajdować) i 3) Sterowanie (oblicza działania - zwykle siły i momenty - które są niezbędne do tego, aby postępować zgodnie ze stanem odniesienia określonym przez Naprowadzanie).

Ta „definicja” ma zastosowanie do wszystkich rodzajów systemów: samochodu, ramienia robota, satelity, sondy kosmicznej, a nawet człowieka. Ujmijmy to jednak w prosty sposób: GNC to, w kilku słowach, sterownik satelity.

Dzięki niemu sonda kosmiczna może skierować się w lewo, w prawo, delikatnie przemieszczać się po Księżycu lub Marsie czy uderzyć w asteroidę. Za tą ogólną definicją występują ogromne różnice między pokładowym podsystemem GNC dla różnych typów misji kosmicznych ze względu na różnice w scenariuszu dotyczącym praw dynamiki, dostępne czujniki („oczy GNC”), dostępne elementy wykonawcze („ramiona i stopy GNC”) oraz ostateczny cel/wymagania statku kosmicznego (powody, dla których lata). Podczas gdy podstawowe technologie algorytmiczne wykorzystywane w ramach trzech pokładowych funkcji GNC są często takie same, zastosowanie w różnych scenariuszach kosmicznych jest w większości przypadków bardzo różne. Z drugiej strony wszystkie systemy GNC zorganizowane są w „tryby” (które są różnymi wersjami GNC zgodnie z określonymi potrzebami/fazami misji), zarządzane przez specjalnie w tym celu zaprojektowaną funkcję GNC Mode Manager. Zazwyczaj pokładowe podsystemy GNC obejmują również dedykowaną funkcję lokalizacji usterek, ich eliminacji i rekonfiguracji (FDIR). Funkcja „Nawigacji” opiera się zwykle na filtrach rekurencyjnych (celem umożliwienia, w razie potrzeby, propagacji w czasie i podtrzymania „pamięci” utrzymujących się w czasie efektów) w celu połączenia poszczególnych dostępnych pomiarów metrologicznych. Estymacja wysokości jest zwykle oddzielona od estymacji położenia/prędkości (PV), ale w niektórych scenariuszach estymacje wysokości i PV są ze sobą połączone i wektor stanu filtra powinien uwzględniać wiele stanów (w tym również estymację innych istotnych parametrów, takich jak nieznane pomiary odchylenia, które ocenia się w celu poprawy ostatecznej dokładności nawigacji). Najczęściej stosowanymi filtrami są filtry Kalmana (występujące w wielu odmianach). Funkcja „Sterowania” jest zazwyczaj oparta albo na klasycznych technikach (takich jak PD/PID), albo, obecnie najczęściej w przypadku wymagających scenariuszy, na solidnych technikach (takich jak techniki µ lub H∞). Solidne techniki pozwalają zagwarantować wydajność sterowania w sytuacjach występowania niepewności (z powodu zaburzeń przestrzeni kosmicznej lub niepewności systemu, takich jak niedokładna znajomość środka masy, elastyczne tryby paneli słonecznych lub nadmierne ruchy - tzw. sloshing - paliwa).

Funkcja „Naprowadzania” to ta, która jest znacznie bardziej zależna od scenariusza niż pozostałe dwie, ponieważ jest ściślej związana z rozwiązywaniem problemów z zakresu praw dynamiki w obrębie konkretnego scenariusza.

Jeśli chodzi o scenariusze i zastosowanie GNC w scenariuszach, GNC może sterować takimi elementami jak (podana tu lista nie jest wyczerpująca): satelity na niskich orbitach kołowych (np. Satelity obserwacji Ziemi), satelity na orbitach kołowych MEO/GEO (np. satelity telekomunikacyjne), satelity w punktach libracyjnych, takie jak punkty Lagrange'a (np. teleskopy), satelity na wysoce eliptycznych orbitach (np. PROBA3, gdzie segment apogeum orbity zapewnia znaczący niezakłócony stan umożliwiający realizację zadań z zakresu nauk precyzyjnych, takich jak obserwacja korony słonecznej), satelity międzyplanetarne (np. podróżujące na Księżyc, Marsa lub asteroidy), satelity na orbicie wokół ciała centralnego innego niż Ziemia (np. orbitujące wokół Księżyca lub Marsa) lub wokół ciała centralnego o bardzo słabej sile grawitacyjnej (np. krążące wokół księżyca Marsa lub wokół asteroidy/komety), planetarne sondy powrotne (z atmosferą taką jak Ziemia czy Mars), sondy lądujące na powierzchni planet (bez atmosfery, jak np. Księżyc), wyrzutnie, łaziki do eksploracji planet, pobieracze próbek asteroidy itp. Powyższy wyraz odnosi się do misji z uczestnictwem jednego statku kosmicznego.

Jeśli mowa o misjach z udziałem wielu statków kosmicznych, GNC może sterować procesem oczyszczania przestrzeni otaczającej Ziemię (usuwanie śmieci kosmicznych z orbity) lub naprawą zepsutych platform (misje serwisowe, w których serwisujący statek kosmiczny zbliża się i wchodzi w interakcję z innym, sterowanym lub niesterowanym statkiem kosmicznym, w celu jego naprawy lub uzupełnienia paliwa), misjami latania w szyku (gdzie dwa lub więcej statków kosmicznych leci w szyku, funkcjonując jak pojedyncza sztywna struktura wirtualna, jak np. misja PROBA3 w fazie apogeum wysokiej orbity eliptycznej lub teleskopy wymagające dłuższej ogniskowej niż ta osiągalna za pomocą pojedynczej struktury fizycznej, jak oczekiwana obecnie nowa generacja teleskopów do wykrywania egzoplanet), rojami współpracujących satelitów lub rojami łazików służących do eksploracji planet/budowy infrastruktury.

Poprzez swoją jednostkę biznesową zajmującą się Segmentem Lotnictwa i Robotyki, w ciągu ostatnich 30 lat firma GMV aktywnie uczestniczyła w działaniach związanych z CNG we wszystkich tych scenariuszach (głównie z Europejską Agencją Kosmiczną). W przypadku wszystkich wyżej wymienionych misji/statków kosmicznych, oszacowanie wysokości odbywa się zwykle w oparciu o kombinację trzech czujników: Czujników Słońca (wykrywających Słońce i gwarantujących możliwość orientacji paneli słonecznych w kierunku Słońca po oddzieleniu od wyrzutni i/lub w przypadku wystąpienia problemów w trakcie misji), tzw. Star Trackerów (umożliwiających uzyskanie dokładnych informacji o orientacji względem gwiazd) i żyroskopów (umożliwiających propagację estymacji wysokości, gdy wskaźnik wysokości jest wyższy niż limit Star Trackerów, lub pozwalających na wykrycie/korektę sytuacji, w której występuje niepożądana duża prędkość obrotowa, np. awaria napędu, zderzenie z kawałkiem kosmicznego gruzu lub awaria podczas procesu oddzielania od wyrzutni). Szacowanie położenia i prędkości opiera się zwykle na wykorzystaniu pokładowych odbiorników GNSS (na orbitach wokół Ziemi) i naziemnych pomiarach odległości (dla orbit międzyplanetarnych lub bardzo wysokich orbit okołoziemskich).

W przypadku misji z udziałem wielu statków kosmicznych lub misji na powierzchni planet nawigacja względna zwykle odbywa się w oparciu o wykorzystanie kamer (wizyjnych, na podczerwień) i czujników laserowych (np. Lidar), w połączeniu z technikami przetwarzania obrazów 2D/3D w celu uzyskania informacji/świadomości w kwestii położenia oraz orientacji statku kosmicznego względem otoczenia (drugi statek kosmiczny w przypadku misji usuwania śmieci kosmicznych/obsługi technicznej lub topografia powierzchni w przypadku łazika naziemnego). Elementy wykonawcze bazują zwykle na napędach i kołach reakcyjnych w przypadku orbitalnych statków kosmicznych (w połączeniu z robotami/manipulatorami do misji serwisowych) oraz kołach/systemów skoku w przypadku łazików powierzchniowych.

Wszystko to z myślą o dalekim i bezpiecznym lataniu!

Autor: Pablo Colmenarejo Matellano