Guía, navegación y control

La guía, navegación y 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 personas capacitadas. Sin embargo, debido a la velocidad de la dinámica de, por ejemplo, un cohete, el tiempo de reacción humano es demasiado lento para controlar dicho movimiento. Por lo tanto, se utilizan sistemas —actualmente casi exclusivamente electrónicos digitales— para dicho control. Incluso en los casos en que las personas pueden realizar estas funciones, a menudo los sistemas GNC ofrecen ventajas como la reducción de la carga de trabajo del operador, la atenuación de las turbulencias, el ahorro de combustible, etc. Además, las aplicaciones sofisticadas de GNC permiten el control automático o remoto .

• La guía se refiere a la determinación del camino de viaje deseado (la " trayectoria ") desde la ubicación actual del vehículo hasta un objetivo designado, así como los cambios deseados en velocidad, rotación y aceleración para seguir ese camino. ^{[ 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 orientación .
• El control se refiere a la manipulación de las fuerzas, mediante controles de dirección, propulsores, etc., necesarias para ejecutar comandos de guiado manteniendo la estabilidad del vehículo .

Los sistemas de guiado, navegación y control constan de tres partes esenciales: navegación , que rastrea la ubicación actual; guiado , que aprovecha los datos de navegación y la información del objetivo para dirigir el control de vuelo hacia "dónde ir"; y control, que acepta las órdenes de guiado para efectuar cambios en los controles aerodinámicos y/o del motor.

Navegación

La navegación es el arte de determinar la posición, una ciencia que recibió gran atención 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/punto de partida conocido (p. ej., IMU). Los sistemas complejos actuales utilizan múltiples enfoques para determinar la posición actual. Por ejemplo, los sistemas de navegación más avanzados de hoy en día están integrados en el misil antibalístico RIM -161 Standard Missile 3, que aprovecha los datos de GPS, IMU y segmento terrestre en la fase de impulso y los datos de posición relativa para la interceptación. Los sistemas complejos suelen tener redundancia múltiple para corregir la deriva, mejorar la precisión (p. ej., relativa a un objetivo) y abordar fallos aislados del sistema. Por lo tanto, los sistemas de navegación reciben múltiples entradas de muchos sensores diferentes, tanto internos al sistema como externos (p. ej., actualización terrestre). El filtro de Kalman proporciona el enfoque más común para combinar datos de navegación (de múltiples sensores) para determinar la posición actual.

Guía

El sistema de guiado es el "conductor" de un vehículo. Recibe información del sistema de navegación (¿dónde estoy?) y utiliza información de puntería (¿adónde quiero ir?) para enviar señales al sistema de control de vuelo que permitirán al vehículo alcanzar su destino (dentro de las limitaciones operativas del vehículo). Los "objetivos" para los sistemas de guiado son uno o más vectores de estado (posición y velocidad) y pueden ser inerciales o relativos. Durante el vuelo propulsado, el guiado 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 un valor gamma para controlar el apagado del 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 mediante mecanismos aerodinámicos o a través de controles motorizados, como los motores. El sistema de guiado envía señales al control de vuelo. Un piloto automático digital (DAP) actúa como interfaz entre el guiado y el control. El 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 prácticamente en todos los sistemas autónomos o semiautónomos. Estos incluyen:

• Pilotos automáticos
• Coches sin conductor , como los rovers de Marte o los que participan en el Gran Desafío de DARPA.
• Misiles guiados
• Sistemas de lanzamiento aéreo guiados de 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 posición ideada para ayudar a los marineros a cruzar los océanos sin referencias, sin tener que depender de la navegación a estima para avistar tierra. La navegación astronómica utiliza mediciones angulares (miradas) entre el horizonte y un objeto celeste común. El Sol es el objeto que se mide con mayor frecuencia. Los navegantes expertos pueden usar la Luna, los planetas o una de las 57 estrellas de navegación cuyas coordenadas se encuentran tabuladas en los almanaques náuticos. Las herramientas históricas incluyen un sextante , un reloj y datos de efemérides. La mayoría de las naves espaciales interplanetarias actuales utilizan sistemas ópticos para calibrar los sistemas de navegación inercial: Mira de Alineación Óptica de la Tripulación (COAS), ^{[ 4 ]} Rastreador de Estrellas. ^{[ 5 ]}
• Las Unidades de Medición Inercial (IMU) son el sistema inercial principal para mantener la posición (navegación) y la orientación en misiles y aeronaves. Son máquinas complejas con uno o más giroscopios giratorios que pueden rotar libremente en 3 grados de movimiento dentro de un sistema de cardán complejo . Las IMU se "activan" y calibran antes del lanzamiento. La mayoría de los sistemas complejos cuentan con 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 tienden a "derivar" debido a la fricción y la precisión. La corrección de errores para abordar esta deriva se puede proporcionar mediante telemetría de enlace terrestre , GPS , radar , navegación astronómica óptica y otras ayudas a la navegación. Al apuntar a otro vehículo (en movimiento), los vectores relativos se vuelven primordiales. En esta situación, las ayudas a la navegación que proporcionan actualizaciones de posición con respecto 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 que combina la guía inercial con la navegación celeste.
• Sistema de navegación de largo alcance (LORAN)  : Este fue el predecesor del GPS y se utilizaba (y en cierta medida todavía se utiliza) principalmente en el transporte marítimo comercial. El sistema funciona triangulando la posición del buque basándose en referencias direccionales a transmisores conocidos .
• Sistema de Posicionamiento Global (GPS)  : El GPS fue diseñado por el ejército estadounidense con el propósito principal de corregir la desviación en la navegación inercial de los misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) antes de su lanzamiento. El GPS transmite dos tipos de señal: militar y comercial. La precisión de la señal militar es información clasificada, pero se estima que es muy inferior a 0,5 metros. El segmento espacial del sistema GPS está compuesto por entre 24 y 32 satélites en órbita terrestre media a una altitud aproximada de 20 200  km (12 600  millas). Los satélites se encuentran en seis órbitas específicas y transmiten información de ubicación y tiempo de alta precisión, que se puede utilizar para calcular distancias y posiciones. ^{[ 6 ]}

• Radar/Infrarrojo/Láser  : Esta forma de navegación proporciona información para la guía en relación con un objetivo conocido y tiene aplicaciones tanto civiles (por ejemplo, para encuentros) como militares.
  • activo (emplea su propio radar para iluminar el objetivo ),
  • pasivo (detecta las emisiones de radar del objetivo),
  • localización por radar semiactivo ,
  • Guiado infrarrojo  : Esta forma de guiado se utiliza exclusivamente para municiones militares, específicamente misiles aire-aire y tierra-aire . El cabezal buscador del misil se dirige hacia la firma infrarroja (calor) de los motores del objetivo (de ahí el término "misil buscador de calor"),
  • El sistema de guiado ultravioleta, utilizado en el FIM-92 Stinger , es más resistente a las contramedidas que el sistema de guiado infrarrojo.
  • Guía láser  : Un designador láser calcula la posición relativa a un objetivo resaltado. La mayoría conoce los usos militares de esta tecnología en las bombas guiadas por láser . La tripulación del transbordador espacial utiliza un dispositivo portátil para introducir información en la planificación del encuentro. La principal limitación de este dispositivo es que requiere una línea de visión directa entre el objetivo y el designador.
  • Correlación de contornos del terreno ( TERCOM ). Utiliza un radar de escaneo terrestre para "comparar" la topografía con datos de mapas digitales y determinar la posición actual. Utilizado por misiles de crucero como el Tomahawk (familia de misiles) .

• Conferencia AIAA GNC (anual)
• Academic Earth: 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: Sistemas de navegación, guiado y control de dirigibles de gran altitud. Joseph Mueller. Archivado el 11 de junio de 2014 en Wayback Machine.
• CEAS: Conferencia EuroGNC