MEMS traagheidsnavigatie: Het "mini-navigatiebrein" voor ruimteverkenning

​

1. Wat is MEMS-traagheidsnavigatie? – De miniatuurkern van ruimtenavigatie

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) Traagheidsnavigatiesysteem is een uiterst nauwkeurig navigatieapparaat dat is vervaardigd op basis van micro-elektromechanische technologie. Het bestaat voornamelijk uit MEMS-gyroscopen (voor het meten van hoeksnelheid), MEMS-versnellingsmeters (voor het meten van versnelling) en gegevensverwerkingseenheden. Zonder afhankelijk te zijn van externe referenties zoals satellietsignalen of grondbasisstations, kan het onafhankelijk positie-, snelheids- en standinformatie berekenen door zijn eigen bewegingsstatus te detecteren. Deze "autonome navigatie"-functie maakt het een ideale keuze voor de extreme omgeving van de ruimte.

​

Vergeleken met traditionele traagheidsnavigatiesystemen van ruimtevaartkwaliteit biedt MEMS-traagheidsnavigatie drie kernvoordelen:miniaturisatie, lichtgewicht ontwerp en lage kosten. De kerncomponenten kunnen worden teruggebracht tot millimeterschaal, met een gewicht variërend van enkele grammen tot tientallen grammen en een stroomverbruik zo laag als milliwattniveau. Bovendien kan het in massa worden geproduceerd, waardoor het perfect voldoet aan de kernvraag van ruimtevaartuigen naar "gewichtsvermindering en verbetering van de efficiëntie". Ondertussen kan MEMS-traagheidsnavigatie, na speciale versterkingsbehandelingen zoals stralingsweerstand en weerstand tegen hoge en lage temperaturen, extreme ruimteomstandigheden weerstaan, waaronder vacuüm, sterke straling en drastische temperatuurvariaties (-200 ℃ ~ +120 ℃), waarbij de stabiliteit en betrouwbaarheid normen van ruimtevaartkwaliteit bereiken.

2. De allround assistent voor ruimteverkenning – kerntoepassingsscenario's van MEMS-traagheidsnavigatie

2.1 De "Attitude Controller" voor satellieten en ruimtevaartuigen

Satellieten moeten hun houding nauwkeurig behouden tijdens orbitaal gebruik (bijvoorbeeld het uitlijnen van zonnepanelen met de zon en communicatieantennes met de aarde), een taak die voornamelijk wordt volbracht door MEMS-traagheidsnavigatiesystemen. Door in realtime de hoeksnelheid en standveranderingen van satellieten te meten, biedt het gegevensondersteuning voor het standcontrolesysteem, waarbij actuatoren zoals stuwraketten en reactiewielen worden aangestuurd om de stand tijdig aan te passen en de stabiele werking van satellieten te garanderen.

In communicatiesatellietconstellaties in een lage baan om de aarde (zoals Starlink) moet elke satelliet bijvoorbeeld snel de omschakeling van de baan en de kalibratie van de stand voltooien. MEMS-traagheidsnavigatie is de kernnavigatiecomponent geworden voor de batch-implementatie van constellaties vanwege de voordelen van "snelle respons en kleine omvang". Voor ruimtesondes (zoals Mars-rovers en asteroïdedetectoren) is realtime navigatie op basis van grondtelemetriesignalen onmogelijk in de diepe ruimte ver weg van de aarde. MEMS-traagheidsnavigatie, gecombineerd met stertrackers en atoomklokken, vormt een autonoom navigatiesysteem om ervoor te zorgen dat de sonde nauwkeurig naar het beoogde hemellichaam vliegt.

2.2 De "Veiligheidswachter" voor bemande ruimtevluchten

In bemande ruimtevaartuigen, zoals bemande ruimteschepen en ruimtestations, onderneemt MEMS-traagheidsnavigatie een kritische missie op "levensondersteunend niveau". Het kan niet alleen in realtime de stand, snelheid en positie van het ruimtevaartuig volgen, waardoor nauwkeurige gegevens worden verstrekt voor aanpassing van de baan, rendez-vous en aanmeren, maar kan ook snel het noodstandcontroleprogramma activeren in geval van nood (zoals een mislukte koppeling tussen het ruimteschip en het ruimtestation, of een abnormale stand van de retourcapsule tijdens het opnieuw binnenkomen in de atmosfeer), waardoor de veiligheid van astronauten wordt gewaarborgd.

Als we het Shenzhou-ruimteschip als voorbeeld nemen: wanneer de retourcapsule opnieuw de atmosfeer binnenkomt, zal deze intense aerodynamische verwarming en houdingsverstoring ervaren. MEMS-traagheidsnavigatie, die samenwerkt met infraroodnavigatie- en parachutecontrolesystemen, berekent nauwkeurig de positie en stand van de retourcapsule om ervoor te zorgen dat deze veilig op de vooraf bepaalde landingsplaats landt. Bovendien is een miniatuur MEMS-traagheidsnavigatiemodule geïntegreerd in de extravehiculaire ruimtepakken van de astronauten, die in realtime de bewegingshouding van de astronauten bewaakt en navigatiereferentie biedt voor extravehiculaire activiteiten.

2.3 De "Precision Navigator" voor ruimterobots en diensten in de ruimte

Met de ontwikkeling van servicetechnologieën in de ruimte (zoals onderhoud van satellieten, verwijdering van ruimteschroot en assemblage in de ruimte), zijn ruimterobots (robotarmen en autonome mobiele robots) kernapparatuur geworden, en MEMS-traagheidsnavigatie is de sleutel tot hun "precisiewerking". Het kan in realtime de gezamenlijke beweging en positieafwijking van robots waarnemen, waardoor de robotarm nauwkeurig satellieten grijpt, de vervanging van apparatuur voltooit of de mobiele robot in staat stelt langs het vooraf bepaalde pad buiten de cabine van het ruimtestation te bewegen.

Wanneer de robotarm van het International Space Station (ISS) bijvoorbeeld astronauten overbrengt en vracht vervoert, kunnen de zeer nauwkeurige standgegevens van MEMS-traagheidsnavigatie de bedieningsfout tot op centimeterniveau beheersen. Wanneer "ruimtesleepboten" in de toekomst ruimtepuin opruimen, moeten ze nauwkeurig aanmeren bij het puin, en de autonome navigatiemogelijkheden van MEMS-traagheidsnavigatie kunnen zorgen voor een stabiel en betrouwbaar aanmeerproces.

2.4 De "autonome navigator" voor verkenning van de diepe ruimte

Bij verkenningsmissies in de diepe ruimte, zoals maan- en Marsverkenning, hebben grondtelemetriesignalen een vertraging van enkele minuten of zelfs tientallen minuten, waardoor realtime controle over de sonde onmogelijk wordt. Het kenmerk "autonome navigatie" van MEMS-traagheidsnavigatie is dus bijzonder belangrijk. Geïntegreerd met optische navigatie, radarnavigatie en andere technologieën vormt het een multi-source fusienavigatiesysteem, waardoor de sonde zelfstandig routes kan plannen, obstakels kan vermijden en een nauwkeurige landing kan realiseren.

Toen de Chang'e-5-maansonde bijvoorbeeld monsters van het maanoppervlak uitvoerde, bewaakte MEMS-traagheidsnavigatie in realtime de houding en positie van de sonde, waardoor de bemonsteringsrobotarm het doelgebied nauwkeurig positioneerde. Wanneer de Marsrover over het oppervlak van Mars reist, past MEMS-traagheidsnavigatie, gecombineerd met terreincameragegevens, onafhankelijk de reisrichting en snelheid aan om te voorkomen dat hij vast komt te zitten in zandduinen of in botsing komt met rotsen.

3. Technologische doorbraken en toekomstperspectieven – van ‘bruikbaar’ tot ‘zeer efficiënt’

De toepassing van MEMS-traagheidsnavigatie in de ruimtevaart is onlosmakelijk verbonden met twee belangrijke technologische doorbraken. De eerste isprecisie verbetering. Door nieuwe materialen (zoals op silicium gebaseerde microstructuren en kwartskristallen) en signaalverwerkingsalgoritmen (zoals Kalman-filtering en neurale netwerkcompensatie) toe te passen, heeft de bias-stabiliteit van MEMS-gyroscopen het niveau van 0,01 °/u bereikt, wat dicht bij dat van traditionele glasvezel-traagheidsnavigatiesystemen ligt. Ten tweedeversterking voor extreme omgevingen. Door geoptimaliseerde verpakkingstechnologie en stralingsafschermingsontwerp kan MEMS-traagheidsnavigatie lange tijd stabiel functioneren in de barre ruimtestralingsomgeving, met een levensduur van meer dan 10 jaar.

In de toekomst zal de toepassing van MEMS-traagheidsnavigatie in de ruimte zich in drie richtingen ontwikkelen. De eerste isminiaturisering en integratie, waarbij functies zoals navigatie, communicatie en energievoorziening op één chip worden geïntegreerd om "on-chip ruimtevaartuigen" te creëren. Ten tweedefusienavigatie met meerdere bronnen, waarbij een diepgaande integratie wordt bereikt met sterrenvolgers, atoomklokken, kwantumnavigatie en andere technologieën om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de navigatie verder te verbeteren. Derde isexpansie in de diepe ruimte, toegepast op verdere ruimtemissies zoals asteroïdeverkenning en interstellaire navigatie, en wordt het "draagbare navigatiebrein" voor mensen om het universum te verkennen.

4. Conclusie

Van satellietcontrole tot veiligheidsgarantie voor bemande ruimtevluchten, van autonome navigatie in de diepe ruimte tot precisiebediening van ruimterobots, MEMS-traagheidsnavigatie hervormt de navigatiemodus van ruimteverkenning met zijn kenmerken van "miniaturisatie, autonomie en hoge betrouwbaarheid". Met de voortdurende vooruitgang van de technologie zal dit ‘miniatuurnavigatiebrein’ solide navigatieondersteuning bieden aan mensen om het onbekende te verkennen op verder weg gelegen kosmische reizen, waardoor ruimteverkenning een nieuw tijdperk van hogere efficiëntie, lagere kosten en grotere veiligheid zal ingaan.

​