Sistema de guía

Un sistema de guiado es un dispositivo virtual o físico, o un grupo de dispositivos, que implementa o controla el movimiento de un barco , aeronave , misil , cohete , satélite u otro objeto en movimiento. El guiado es el proceso de calcular los cambios en la posición, velocidad, altitud y/o velocidad de rotación de un objeto en movimiento necesarios para seguir una trayectoria y/o perfil de altitud determinados, basándose en información sobre el estado de movimiento del objeto. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Un sistema de guiado suele formar parte de un sistema de guiado, navegación y control , donde la navegación se refiere a los sistemas necesarios para calcular la posición y orientación actuales a partir de datos de sensores como brújulas , receptores GPS , Loran-C , rastreadores estelares , unidades de medición inercial y altímetros . La salida del sistema de navegación , la solución de navegación, es una entrada para el sistema de guiado, que incluye, entre otros, 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 guiado calcula las instrucciones para el sistema de control, que comprende los actuadores del objeto (por ejemplo, propulsores , ruedas de reacción , alerones ), capaces de manipular la trayectoria y orientación del objeto sin control humano directo o continuo.

Uno de los primeros ejemplos de un verdadero sistema de guiado es el utilizado en el misil alemán V-1 durante la Segunda Guerra Mundial. El sistema de navegación consistía en un simple giroscopio , un sensor de velocidad aerodinámica y un altímetro. Las instrucciones de guiado incluían la altitud objetivo, la velocidad objetivo, el tiempo de crucero y el tiempo de apagado del motor.

Un sistema de guiado consta de tres secciones principales: entradas, procesamiento y salidas. La sección de entradas 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 las acciones necesarias para mantener o alcanzar el rumbo correcto . Esta información se envía a las salidas, que pueden afectar directamente al rumbo del sistema. Las salidas pueden controlar la velocidad interactuando con dispositivos como turbinas y bombas de combustible , o bien modificar el rumbo directamente accionando alerones , timones u otros dispositivos.

Los sistemas de guiado inercial se desarrollaron originalmente para cohetes. El pionero estadounidense de la cohetería, Robert Goddard, experimentó con sistemas giroscópicos rudimentarios . Los sistemas del Dr. Goddard despertaron gran interés entre los pioneros alemanes contemporáneos, como Wernher von Braun . Estos sistemas se popularizaron con la llegada de las naves espaciales , los misiles guiados y los aviones comerciales .

La historia de la guía estadounidense se centra en dos comunidades distintas. Una surgió del Caltech y del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA , y la otra de los científicos alemanes que desarrollaron la guía del cohete V2 inicial y del MIT . El sistema GN&C para el V2 proporcionó muchas innovaciones y fue el arma militar más sofisticada en 1942, utilizando una guía de bucle cerrado autónoma. Los primeros V2 utilizaban dos giroscopios y un acelerómetro lateral con una computadora analógica simple para ajustar el acimut del cohete en vuelo. Las señales de la computadora analógica se usaban para accionar cuatro timones externos en las aletas de cola para el control de vuelo. Von Braun orquestó la rendición de 500 de sus mejores científicos de cohetes, junto con planos 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 extraordinarias habilidades de liderazgo y su experiencia con el programa V-2 lo hicieron invaluable para el ejército estadounidense. ^{[ 6 ]} En 1955, el equipo de Redstone fue seleccionado para poner en órbita el primer satélite estadounidense, lo que colocó a este grupo en el centro tanto del espacio militar como del comercial.

El Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) remonta sus orígenes a la década de 1930, cuando el profesor de Caltech, Theodore von Karman , realizó un trabajo pionero en propulsión de cohetes . Financiado por el Cuerpo de Artillería del Ejército en 1942, los primeros esfuerzos del JPL abarcarían tecnologías que iban más allá de la aerodinámica y la química de los propelentes. El resultado de este esfuerzo fue la respuesta del JPL al misil alemán V-2, denominada MGM-5 Corporal , lanzada por primera vez en mayo de 1947. El 3 de diciembre de 1958, dos meses después de la creación de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) por el Congreso, el JPL pasó de la jurisdicción del Ejército a la de esta nueva agencia espacial civil. Este cambio se debió a la creación de un grupo con enfoque militar derivado del equipo alemán del V2. Por lo tanto, a partir de 1958, el JPL de la NASA y el equipo de Caltech se centraron principalmente en el vuelo no tripulado y dejaron de lado las aplicaciones militares, salvo algunas excepciones. La comunidad que rodea al JPL impulsó una tremenda innovación en telecomunicaciones, exploración interplanetaria y monitoreo de la Tierra (entre otras áreas). ^{[ 7 ]}

A principios de la década de 1950, el gobierno estadounidense buscaba protegerse de la excesiva dependencia del equipo alemán en aplicaciones militares. Entre las áreas desarrolladas internamente se encontraba la guía de misiles. A principios de la década de 1950, el Laboratorio de Instrumentación del MIT (que más tarde se convertiría en el Laboratorio Charles Stark Draper , Inc.) fue seleccionado 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 del proyecto del MIT fue un joven ingeniero llamado Jim Fletcher, quien posteriormente se desempeñó como Administrador de la NASA. El sistema de guía del Atlas debía ser una combinación de un sistema autónomo a bordo y un sistema de seguimiento y comando terrestre. Este fue el comienzo de una controversia filosófica que, en algunos aspectos, aún permanece sin resolver. El sistema autónomo finalmente prevaleció en las aplicaciones de misiles balísticos por razones obvias. En la exploración espacial, se mantiene una combinación de ambos.

En el verano de 1952, el Dr. Richard Battin ^{[ 8 ]} y el Dr. J. Halcombe ("Hal") Laning Jr. investigaron soluciones computacionales para la guía, ya que la computación comenzaba a alejarse del enfoque analógico. Dado que las computadoras de esa época eran muy lentas (y los misiles muy rápidos), era extremadamente importante desarrollar programas 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 algebraico para la 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 con un formato de tres líneas, notaciones de matriz vectorial y subíndices mnemotécnicos e indexados. El lenguaje actual del Transbordador Espacial (STS), llamado HAL (desarrollado por Intermetrics, Inc.), es una derivación directa de MAC. Dado que el principal arquitecto de HAL fue Jim Miller, quien fue coautor, junto con Hal Laning, de un informe sobre el sistema MAC, es razonable suponer que el lenguaje del transbordador espacial lleva el nombre del antiguo mentor de Jim, y no, como algunos han sugerido, el 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 llevaron a cabo el trabajo analítico inicial sobre el sistema de guiado inercial Atlas en 1954. Otras figuras clave en Convair fueron Charlie Bossart, el ingeniero jefe, y Walter Schweidetzky, jefe del grupo de guiado. Walter había trabajado con Wernher von Braun en Peenemünde durante la Segunda Guerra Mundial.

El sistema de guiado inicial "Delta" evaluaba la diferencia de posición con respecto a una trayectoria de referencia. Se realizaba un cálculo de velocidad a ganar (VGO) para corregir la trayectoria actual con el objetivo de reducir VGO a cero. Las matemáticas de este enfoque eran fundamentalmente válidas, pero se descartaron debido a las dificultades en la navegación inercial precisa (por ejemplo, la precisión de la IMU) y la capacidad de procesamiento analógico. Los desafíos que enfrentó el sistema "Delta" se superaron con el sistema de guiado "Q". La revolución del sistema "Q" consistió en integrar los desafíos del guiado 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 utilizar los componentes del producto vectorial (v, xdv,/dt) como señales básicas de velocidad del piloto automático, una técnica que se conoció como "dirección por producto vectorial". El sistema Q se presentó en el primer Simposio Técnico sobre Misiles Balísticos, celebrado en la Corporación Ramo-Wooldridge de Los Ángeles los días 21 y 22 de junio de 1956. El "Sistema Q" fue información clasificada durante la década de 1960. Actualmente, se utilizan variantes de este sistema de guiado en los misiles militares. El equipo CSDL sigue siendo líder en sistemas de guiado militar y participa en proyectos para la mayoría de las divisiones de las Fuerzas Armadas de EE. UU.

El 10 de agosto de 1961, la NASA otorgó al MIT un contrato para el estudio de diseño preliminar de un sistema de guía y navegación para el programa Apolo . ^{[ 9 ]} (véase Sistema de guía, navegación y control a bordo del Apolo, Dave Hoag, Conferencia de Dedicación del Salón Internacional de la Fama del Espacio en Alamogordo , NM, octubre de 1976 ^{[ 10 ]} ). El sistema de guía del transbordador espacial actual se denomina PEG4 (Guía Explícita Potenciada). Tiene en cuenta tanto el sistema Q como los atributos predictor-corrector del sistema "Delta" original (Guía PEG). Aunque se han realizado muchas actualizaciones al sistema de navegación de los transbordadores en los últimos 30 años (por ejemplo, GPS en la construcción 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 usuarios del sistema, se forman muchos equipos nuevos que interactúan con GN&C, ya que es una interfaz principal para "pilotar" el vehículo. ^{[ 11 ]} Para el Apollo y el STS (sistema del transbordador), 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 la redundancia y al soporte de múltiples escenarios de aborto que garantizan la seguridad de la tripulación. Los sistemas de guiado lunar e interplanetario tripulados de EE. UU. aprovechan muchas de las innovaciones de guiado (descritas anteriormente) desarrolladas en la década de 1950. Así, aunque la estructura matemática básica del guiado se ha mantenido bastante constante, las instalaciones que rodean a los sistemas de guiado, navegación y control ( GN&C) siguen evolucionando para dar soporte a nuevos vehículos, nuevas misiones y nuevo hardware. El centro de excelencia para el guiado tripulado sigue estando en el MIT (CSDL), así como en la antigua sede de McDonnell Douglas Space Systems (en Houston).

• Espoleta de artillería
• Sistema de navegación automotriz
• Piloto automático
• Carril guía
• Bomba guiada
• Autobús guiado
• Lista de misiles
• Espoleta de proximidad magnética
• Guía de misiles
• Munición guiada de precisión
• Espoleta de proximidad
• Sensor de proximidad
• Navegación robótica
• Gobierno
• Orientación terminal

• Introducción a las matemáticas y los métodos de la astrodinámica, edición revisada (Serie educativa de la AIAA), Richard Battin, mayo de 1991.
• Evolución de la guía espacial: una narración personal, Richard Battin, AIAA 82–4075, abril de 1982