¿Cómo puede una nave espacial del espacio profundo determinar en tiempo real la dirección de delta-v?

Mi nave espacial sabe que quiere agregar un cierto delta-v en cierta dirección a su movimiento, en relación con las estrellas. Calculará la masa actual en función del historial de uso del propulsor, que no ha sido mucho hasta ahora, y conoce el empuje bien caracterizado del motor, por lo que, en conjunto, sabe que necesita arder durante un tiempo T para producir el magnitud correcta de delta-v.

Su contenido interno tiende a cambiar, por lo que la ubicación precisa del centro de masa de la nave espacial es impredecible. Afortunadamente, el motor tiene cardanes y puede ajustar los cardanes continuamente durante la maniobra para asegurarse de que mantiene el centro de masa directamente en el eje de empuje. Lo hace detectando la rotación con las cámaras estelares y/o giroscopios y cardán para anular la rotación.

¿Cómo sabe mi nave espacial si el empuje realmente apunta en la dirección correcta? Las estrellas están muy lejos y no hay planetas o asteroides cerca, por lo que, si bien conoce la posición, ¿cómo puede determinar que la dirección del vector delta-v es correcta?

Supongo que los acelerómetros internos (guía inercial) que han sido calibrados de forma cruzada con las cámaras estelares serían una solución, y el intercambio de información de comunicación por radio y doppler con la Tierra sería otra.

¿Es asi? ¿Sensores de inercia y doppler, o hay alguna otra tecnología de naves espaciales de espacio profundo que se utilice actualmente que pueda medir la dirección de delta-v en tiempo real?

nave espacial con motor no calibrado apuntando y distribución de masa incierta

"Hace esto detectando la rotación con las cámaras y giroscopios de estrellas y gimbaling para anular la rotación". No creo que usen rastreadores de estrellas para el control del cardán. Eso es probablemente todos los giroscopios. Los rastreadores de estrellas solo sirven para corregir periódicamente la deriva en los giroscopios...
@Alex ya lo cambiaré a "y/o", ¡gracias! No quiero proponer que sea una solución práctica, solo que es posible medir la rotación de alguna manera.

Respuestas (4)

Veo la advertencia de su pregunta... y al mismo tiempo, no.

El problema: el centro de masa se desplaza aleatoriamente y de forma no determinista.

Solución: cuando la nave trata de girar, esto es detectado y compensado por el cardán del motor, de modo que el vector de empuje siempre apunte a través de CoM, a menos que esté compensando la inclinación en este momento.

Efecto secundario: discrepancia entre rumbo y rumbo; empuje desalineado con el eje geométrico del barco (que está desalineado con el CoM fuera de lugar), impulsándolo en una dirección diferente a la prevista originalmente.

Problema resultante: ¿cómo determinar el valor del error: cambio de velocidad frente a lo previsto?

Solución: usar exactamente el mismo software que se usa para controlar el gimbal.

Conoce el valor del empuje (fuerza), tiene una muy buena idea acerca de la masa (flujo másico de combustible y masa total del barco) y conoce la dirección del empuje en cualquier momento, junto con la dirección del vector CoM de escape. (calculado a partir de shift vs stars, necesario para impulsar la operación cardán).

Divida el vector de empuje en vectores de componentes a lo largo del eje COM de escape y perpendicular. Integrar fuerza → aceleración resultante de la componente paralela en el tiempo para obtener el cambio de velocidad; integre (segundo grado) el desplazamiento desde el componente perpendicular (el componente perpendicular de la velocidad luego será cercano a cero ya que la rotación se extingue y nunca se permite que crezca significativamente).

¿Cómo puedo saber la dirección del empuje? ¿Con respecto a qué? ¿Es un motor perfecto y una tobera perfecta y hay una cámara en estrella que señala que la tobera está arreglada? Entiendo que el control del cardán debería evitar principalmente que la nave espacial gire fuera de control, pero incluso si quisiera apuntar a Alpha Centauri y pudiera verlo, ¿cómo sé que estoy acelerando en esa (esencialmente) dirección exacta? ¿Necesito una cámara de estrellas/navegación previamente alineada con respecto a un conjunto de acelerómetros? ¿O instrucciones de la Tierra basadas en doppler? ¿O hay alguna otra opción?
No estoy cuestionando su respuesta, solo estoy completamente desconcertado por mi propia pregunta. Estas son las dos únicas cosas que se me ocurren. 1) Acelerómetros prealineados a cámaras estelares, o 2) actualizaciones periódicas desde la Tierra (o algún proxy) basadas en mediciones doppler relativas a un cuerpo conocido para el cual existe una buena efemérides (por ejemplo, la Tierra).
@Uhoh: el empuje va de acuerdo con el perfil de empuje, que es muy conocido, o su motor explotaría (la estabilidad de la combustión y el perfil de empuje están inexplicablemente unidos; usted proporciona combustible X, oxidante Y, obtiene empuje Z en el vacío). En cuanto a la dirección: ¡tú manejas los motores cardánicos! Si le dice al motor del cardán que gire 2,3 grados a estribor, ¡su empuje será de 2,3 grados a estribor!
También: esto es para obtener inmediatamente delta -V. Para obtener vectores precisos de ubicación y velocidad, utiliza el contacto con el suelo y obtiene la respuesta cuando la señal completa el viaje de ida y vuelta. Pero para obtener el cambio en la velocidad actual, simplemente puede calcular usando el empuje de la quema (el empuje es muy preciso en función de la dosis de combustible, cuestiones de estabilidad de la combustión) y la dirección (los cardanes tienen una retroalimentación muy precisa sobre el posicionamiento de la boquilla .)
¡Ok lo tengo! Si hay codificadores absolutos precalibrados que miden los ángulos 2D del motor/boquilla con respecto al armazón de la nave espacial , y cámaras estelares precalibradas con respecto al armazón de la nave espacial, entonces tengo una buena estimación de la dirección del empuje con respeto a las estrellas. No es lo mismo que una medida real de la dirección del delta-v, pero va a estar bastante cerca. ¡Excelente! Un tercer método más allá de los acelerómetros y los datos doppler informados desde la Tierra. ¡¡Gracias!!
¿No integraría simplemente la salida de sus acelerómetros lineales para obtener los componentes de velocidad x, y y z? Podría calcular la aceleración a partir del empuje, pero necesitaría un sensor adicional para detectar con precisión la dirección del empuje, incluso si tuviera un buen modelo de las características del motor. Los acelerómetros lineales vienen gratis con la IMU, por lo que parece la opción más sencilla. ¿No?
@Alex: Los acelerómetros son inherentemente ruidosos. Determinar la posición a través de la integración de la aceleración es un esfuerzo condenado al fracaso ya que el error de medición se acumula y crece en proporción cuadrática con el tiempo. Determinando la velocidad: simplemente lineal, así que no es tan horrible. Sin embargo, determinar la inercia/masa es realmente viable.
@SF: Pero luego necesita convertir su empuje y masa en aceleración para ... integrar dos veces para obtener la posición ... para que no gane nada. ¿No? Además, el ruido en la medición se maneja rutinariamente con filtros Kalman, y los errores en la medición se corrigen al usar mediciones de rastreadores de estrellas... Me parece que solo se pierde al medir el empuje/masa en lugar de ir directamente con las mediciones del acelerómetro (corregidas para incluir la gravedad, que normalmente no se registraría en las lecturas del acelerómetro).
@Alex No. No use acelerómetros para determinar la posición. Directamente, indirectamente, muy indirectamente o incluso en cualquier lugar cercano. Ellos son malos. Puede determinar la masa para estimar la cantidad de combustible restante y, por lo tanto, delta-V restante. Si es absolutamente necesario usar acelerómetros para determinar la velocidad y la posición, entonces estimar la velocidad actual como delta-V inicial menos delta-V restante calculado a partir de la masa/aceleración producirá mejores resultados que la integración de los acelerómetros. Son así de malos.
@SF, vamos. Los acelerómetros lineales se utilizan habitualmente en la navegación inercial para naves espaciales. Tu delta V es solo un escalar y necesitas un vector que te diga dónde estás. Podría obtener ese vector haciendo F/m para obtener la aceleración e integrándolo dos veces para obtener la posición, pero luego es mejor que mida la aceleración directamente, filtre el ruido y corrija periódicamente los errores utilizando rastreadores de estrellas. ¿Cómo se convierte exactamente un Delta V escalar en un vector? Porque la ecuación del cohete que obtiene Delta V toma todos los escalares como entrada y, por lo tanto, da todos los escalares como salida.
@Alex: ¿Alguna fuente sobre eso? Los acelerómetros están bien para determinar el giro y se pueden usar para calcular el cambio de velocidad, pero si comienza a filtrar la salida, perderá precisión; tiene una cierta frecuencia de muestreo y pierde datos entre muestras, no puede distinguir picos momentáneos de aceleración provenientes de inestabilidades menores de combustión (aceleración real) de vibraciones flexibles de la nave espacial (sin aceleración) ya que los eventos 'emparejados' se pierden en el medio muestras; es una caminata aleatoria, alejando constantemente la velocidad medida de la real.
Además, son completamente ciegos a las perturbaciones gravitatorias, las influencias constantes minúsculas como la presión de la luz se ahogan por completo en el ruido aleatorio y por debajo de su umbral de sensibilidad, y cualquier error, incluso pequeño en la medición de la velocidad al principio, se convertirá en cientos de kilómetros de error de ubicación después de un año. en la misión. Y después de una quemadura de 1 km / s, ese error no será pequeño. Si el error es del 0,1 % (lo que sería una precisión increíble para los acelerómetros, que suelen estar más cerca del 3 %) en una quema de 1 km/s, un año después será de más de 30 000 kilómetros.
(En cuanto a cómo usar el delta-v: mal. Calcule los cambios de velocidad, conéctese a la simulación como maniobras de punto de quemado, calcule la ubicación. Al menos podrá tener en cuenta las perturbaciones gravitacionales).
Los documentos de la NASA sobre la nave espacial Apolo y el cohete Saturno son públicos. Míralos. Este es el conocimiento estándar. Todos los documentos sobre navegación de naves espaciales que he leído mencionan los giroscopios y la integración de acelerómetros de una forma u otra. Francamente, tengo mejores cosas que hacer que entretener más esta discusión. Me parece que solo estás vendiendo suposiciones sin molestarte en investigar. No estoy perdiendo el tiempo.
@SF, lo que describe no es cómo se hacen las cosas. Es como imaginas que se hagan. Y sobre su procedimiento para determinar el vector de posición a partir del empuje: el empuje es solo una de las muchas fuerzas que debe tener en cuenta. Saber en qué dirección apunta su motor no le dice en qué dirección acelerará, porque tiene que tener en cuenta 1) el chapoteo del combustible, 2) los modos de flexión, 3) las fuerzas de radiación solar, 4) las fuerzas del campo magnético. Tu aceleración neta depende de todo esto, no solo de la dirección del empuje.
Quiero decir, solo busca en Google el tema. Búscalo en Wikipedia. Aquí hay un párrafo en la wiki para el sistema de navegación inercial: "Los acelerómetros lineales miden las aceleraciones no gravitatorias del vehículo. Dado que puede moverse en tres ejes, hay un acelerómetro lineal para cada eje. Una computadora calcula continuamente la posición actual del vehículo. Primero , para cada uno de los seis grados de libertad, integra a lo largo del tiempo la aceleración detectada, junto con una estimación de la gravedad, para calcular la velocidad actual. Luego integra la velocidad para calcular la posición actual".
Y sobre la cuestión anterior de la gravedad. Es cierto, los acelerómetros lineales no miden la aceleración debida a la gravedad. En cambio, este término se calcula utilizando modelos matemáticos y se agrega a la salida de los acelerómetros.

¿Cómo sabe mi nave espacial si el empuje realmente apunta en la dirección correcta? Las estrellas están muy lejos y no hay planetas o asteroides cercanos.

Que las estrellas estén muy lejos es una gran ventaja. El paralaje no será un problema para un rastreador de estrellas que busca estrellas brillantes distantes, al menos no dentro del sistema solar. Los errores inherentes incluso en los rastreadores de estrellas de última generación son significativamente mayores que los errores inducidos por el paralaje. El paralaje podría convertirse en un problema en un futuro lejano, pero para entonces las naves espaciales de nuestros hijos estarán utilizando rastreadores de cuásares.

Entonces, si bien conoce la actitud, ¿cómo puede determinar que la dirección del vector delta-v es correcta?

En muchos casos, la nave espacial no sabe que la dirección del vector delta-v es correcta. Su software de vuelo es bastante primitivo. Las sondas del espacio profundo suelen recibir comandos delta-V de la Tierra. Estas naves espaciales tienen una autonomía e inteligencia bastante limitadas, y simplemente ejecutan los comandos que se les transmiten. Supongamos que el Laboratorio de Física Aplicada hubiera ordenado por error a la nave espacial New Horizons que realizara una maniobra que habría hecho que la nave espacial chocara contra Plutón. La nave espacial habría hecho exactamente lo que se le había ordenado hacer.

Hacer que una nave espacial sea verdaderamente autónoma es una tarea para la próxima generación de científicos espaciales. Por ahora, la autonomía se limita a aquellas fases del vuelo en las que la intervención desde Tierra es imposible. Esto incluye citas automatizadas; entrada, descenso y aterrizaje automatizados; y señalización autónoma (por ejemplo, New Horizons apuntando hacia Plutón). En todos estos casos, el vehículo tendrá más que el conjunto estándar de sensores de navegación y el software de vuelo será bastante complejo.

Estoy preguntando cómo puede medir su velocidad o cambio de velocidad. Las estrellas dan actitud. A menos que pase algo que esté lo suficientemente cerca como para proporcionar un paralaje sustancial y para lo cual tenga efemérides, las cámaras no darán ninguna información relacionada con la velocidad.
@uhoh: eso no es lo que preguntaste ni en el título ni en el cuerpo de la pregunta. Su pregunta se refiere a la dirección. Ahora usted está preguntando acerca de la magnitud. ¿Cuál es?
OK, tienes razón, solo estoy preguntando sobre la normalidad del cambio de velocidad. " dirección de delta-v ". Gracias. Si está en el espacio profundo y ejecuta un encendido, pero la nave espacial tiene un centro de masa que es incierto, ¿cómo puede determinar la dirección del cambio en el vector de velocidad: "la dirección de delta-v"?
En realidad, esta es una respuesta buena e interesante para una pregunta sobre la autonomía presente y futura de las naves espaciales; si no se ha preguntado antes, puedo preguntar sobre eso explícitamente en otra pregunta. ¡Puede ser de mayor interés general que esta pregunta!
David, esta respuesta es realmente interesante, hice una pregunta sobre la autonomía de la nave espacial que necesita algo de perspectiva.

En general, una nave espacial utilizará una plataforma de inercia giroscópica : un conjunto de giroscopios motorizados que mantienen una orientación fija en el espacio, montados en cardanes anidados que permiten que la nave espacial gire a su alrededor. La rotación relativa de los cardanes se mide varias veces por segundo para determinar la dirección a la que apunta la nave y la rapidez con la que cambia la dirección, lo que permite que el sistema de guía ajuste el cardán del motor para mantener la nave en curso en un bucle de retroalimentación continua.

Y solo para responder explícitamente "¿Cómo sabe mi nave espacial si el empuje apunta realmente en la dirección correcta", se calculará una actitud de encendido antes del encendido y se alimentará al sistema de guía como la actitud del objetivo. El sistema de control de actitud descrito por @Russell Borogove mantendrá la nave apuntando en esa dirección.
@OrganicMarble es eso simplemente envolviendo mi pregunta con la frase "calcular una actitud de quemado"? Para una nave espacial con un motor cardánico y un centro de masa incierto debido al movimiento de la masa interna a la estructura rígida, ¿cómo se calcularía exactamente la actitud de encendido con anticipación sin conocer el centro de masa exacto?
No creo que los objetivos quemados tengan nada que ver con el centro de masa. Solo la dirección en la que debe apuntar la nave. Luego, el sistema de control debe corregir las masas en movimiento durante el encendido para mantener la actitud adecuada.
@RussellBorogove Una plataforma inercial giroscópica brinda esencialmente la misma información que las cámaras estelares, excepto por los detalles de las tasas de actualización y la estimación de las tasas de cambio. Si tuviera cámaras estelares arbitrariamente buenas, la plataforma estabilizada giroscópicamente no sería necesaria en absoluto. Pero esto no responde a la pregunta. Ambos dan información de actitud de la nave espacial, pero ninguno da vectores de aceleración, ¿me equivoco aquí?
Las IMU se utilizan para medir la aceleración.
@OrganicMarble Creo que está asumiendo que la dirección de aceleración será la misma que la dirección a la que apunta la nave espacial, pero eso no es un hecho.
Eso no importa. Todo lo que se necesita es la orientación deseada de la embarcación.
@OrganicMarble, los giroscopios motorizados de la "plataforma inercial giroscópica" cumplen la misma función matemáticamente que las cámaras estelares realmente buenas. Cámaras estelares realmente buenas + acelerómetros fijos en el cuerpo + matemáticas ≈ Acelerómetros montados giroscópicamente.
Las cámaras estelares se utilizan para obtener una orientación de referencia inicial para la plataforma inercial; mientras que en teoría podría usarlos continuamente, en la práctica necesitaría mucha potencia de procesamiento de imágenes para hacerlo, y es mucho más fácil leer los ángulos de los cardanes giroscópicos. (En Apolo, por ejemplo, los astronautas tenían que hacer los avistamientos de estrellas, tomándose varios minutos para hacerlo).
Referencia de inercia fija + saber cuáles son los comandos de ángulo de su cardán + saber que está empujando a través del centro de masa porque no está girando + matemáticas = saber en qué dirección está empujando. Después de la quema, actualice su posición desde el seguimiento en tierra para ver cómo lo hizo, y corrija los residuales con sus propulsores de actitud más pequeños si es necesario.
@RussellBorogove He preguntado "¿Es eso, sensores de inercia y doppler?" - ¿La respuesta es simplemente "sí, eso es todo?"
Si te entiendo, si.
@RussellBorogove si puede agregar algo así a la respuesta de alguna manera, limpiemos todos estos comentarios y puedo aceptar.
Las plataformas inerciales son tan del último milenio. Eso es lo que usó el programa Apollo. Demasiado caro, y no tan preciso. Hay alternativas más modernas, todas las cuales se desarrollaron en el milenio anterior (pero después de Apolo).
¿Cuál es el estándar moderno?
@RussellBorogove -- Sistemas de sujeción.
@David Hammen: Tonterías. Las plataformas inerciales son tecnología fina. Son propensos a desviarse, lo que debe corregirse periódicamente, pero oye, ¿sabías que tus propios sistemas de correas incluyen giroscopios y acelerómetros lineales que son propensos a desviarse y necesitan corrección? Sí, su tecnología moderna tiene exactamente los mismos inconvenientes fundamentales que las plataformas inerciales del "último milenio". Si vamos a golpearnos el pecho con nuestra maravillosa tecnología moderna, al menos asegurémonos de que sea maravillosa. Lo que afligía a las plataformas inerciales también aflige a los sistemas de amarre.
@Alex: las plataformas inerciales no son solo tecnología del "último milenio". Son una tecnología temprana de la era espacial que legítimamente ha sido desechada. Los giroscopios de fibra óptica sin partes móviles ofrecen una tasa de deriva mucho más baja que incluso la mejor plataforma de inercia mecánica. Es difícil de superar más barato, mejor, más rápido. Es particularmente difícil cuando más barato, mejor y más rápido va acompañado de más precisión y menos ruido.
@David, los giroscopios de fibra óptica sufren de deriva que debe corregirse al igual que los giroscopios mecánicos. Son más baratos y más compactos, pero las matemáticas de la navegación son las mismas: obtienes tu actitud de los giroscopios, que deben configurarse cuidadosamente en el lanzamiento y que deben corregirse regularmente en órbita utilizando rastreadores de estrellas o dispositivos equivalentes. Los principios operativos básicos son los mismos, lo que, en todo caso, dice mucho del pedigrí de las plataformas inerciales que las precedieron. Los sistemas Strapdown no son una revolución en las IMU, son solo una versión más refinada de ellos.
@Alex, no dije que fueran perfectos. Las imperfecciones son conocidas y dado que estos son artículos básicos, están en la especificación. Si las plataformas inerciales son una buena tecnología, ¿por qué ya no se usan? Si la memoria central de la cuerda utilizada en las computadoras de vuelo de Apolo era tecnología fina, ¿por qué ya no se usan? Las plataformas inerciales, la memoria de cuerda central y muchas otras tecnologías de la era espacial temprana eran tecnología muy fina, para ese momento.
@David_Hammen: La tecnología central detrás de los sistemas strapdown es exactamente la misma que la de las plataformas inerciales. Los giroscopios, los acelerómetros lineales y las matemáticas te dan la actitud y la posición para GNC. El cambio de giroscopios mecánicos a ópticos es un simple refinamiento. El hecho es que nuestra nave espacial moderna navega utilizando principalmente los principios desarrollados en los años de Apolo. Todo lo que hemos hecho desde entonces es pulir los cuchillos que fabricaron, y ahora aquí estás, burlándote de esos mismos cuchillos, como si nuestro pulido se acercara al trabajo que se llevó a cabo para crearlos.
Para aclarar mi punto de vista, esta tecnología del "último milenio" no ha sido "justificadamente desechada". Hoy en día se utiliza de forma rutinaria en las naves espaciales, aunque con pequeñas diferencias en el diseño, que, sin embargo, utilizan giroscopios y acelerómetros lineales y algoritmos informáticos para calcular la actitud y la posición.

Entiendo que su pregunta se puede resumir en cómo se sabe exactamente en el marco inercial dónde se está moviendo. Entiendo que hay advertencias sutiles aquí.

Entonces, supongamos que sé en el marco inercial dónde necesito disparar y que a bordo se puede alinear con este marco usando sensores inerciales. Ahora la pregunta es ¿cómo se sabe la alineación exacta del sensor de estrellas con el cuerpo? y giroscopio al cuerpo? y acelerómetro al cuerpo? Estas pequeñas desalineaciones, que pueden ser ligeramente diferentes de las mediciones terrestres, no se pueden medir, sino que solo se pueden corregir estadísticamente, por ejemplo, mediante la rotación de la nave espacial y la comparación de los valores del sensor de estrellas y el giroscopio.

Entonces, una vez que se realiza esta calibración. Solo tenemos que ver si al dar delta-v la nave espacial está en vectores de estado calculados en tierra o no. De lo contrario, se puede mantener la variable que acumula la aceleración de inercia y los enlaces descendentes a tierra.

Para tal integrador de navegación inercial, se necesita un modelo de gravedad y cualquier otra fuerza, si está presente.

Calibrando giroscopios a estrellas, entiendo, pero mi pregunta es sobre la aceleración lineal . ¿Cómo se recalibra eso en el espacio profundo? Creo que has usado "migas de pan"; deje un objeto diminuto a su lado, acelere, verifique los acelerómetros, luego mire hacia atrás, hacia donde está contra las estrellas.
la parte compensada se puede estimar como cuando no se dispara, debe mostrar cero. La parte del factor de escala, gira la nave espacial, conoce la velocidad de rotación exacta, conoce la ubicación de montaje del acelerómetro calibrado con fuerza centrífuga.
El uso de la rotación para calibrar un acelerómetro lineal requiere una distancia precisa al centro de rotación. El texto de la pregunta y el dibujo resaltan que no sabemos cómo se desplaza el centro de masa cuando usamos propulsor, por ejemplo.
Hágalo antes de usar propulsor, gire por ruedas de reacción... ahora, con suerte, el factor de escala y la compensación no son una función del tiempo.
Ahora estoy pensando, dado que el desplazamiento doppler es muy preciso, podemos estimar el CG con precisión al tener un transmisor en un brazo, por lo que a través de la rotación tal vez podamos capturar el doppler máximo y mínimo. Se pregunta si el gradiente de gravedad puede estimar el factor de escala para un acelerómetro altamente sensible
Bueno, todo cambia con el tiempo, incluidas las características del motor de iones o del propulsor, el comportamiento de la boquilla, etc. ¿Qué pasa si los acelerómetros se montan en pares? Por ejemplo, se puede montar un par X/Y en +Z y -Z, y el acelerómetro Z en +Z y -Z. Siempre y cuando sepas la distancia entre ellos. d y eso permanece fijo, entonces cuando la nave espacial gira, puedes resolver el centro de masa. Dado que la pregunta se trata de maniobrar en el espacio profundo, a millones de kilómetros de cualquier cuerpo gravitacional en particular, el único gradiente de aceleración será debido a la rotación, que se mide desde las estrellas.
De hecho, lo pensé, pero luego el factor de escala será diferente para ambos acelerómetros agregando una variable más a la ecuación
¿Cómo puede una nave espacial del espacio profundo determinar en tiempo real la dirección de delta-v?
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