MEMS 관성 항법: 우주 탐사 를 위한 "미니어처 항법 뇌"

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1. MEMS 관성 내비게이션이란 무엇인가요?

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 관성 내비게이션 시스템은 마이크로-전자-기계 기술을 기반으로 제조된 고정도 내비게이션 장치입니다.주로 MEMS 자이로스코프 (각속도를 측정하기 위해) 로 구성되어 있습니다., MEMS 가속도 측정기 (가속도를 측정하기 위한) 및 데이터 처리 장치. 위성 신호 또는 지상 기지국과 같은 외부 참조에 의존하지 않고,그것은 독립적으로 위치를 계산할 수 있습니다이 "자율적인 내비게이션" 기능은 우주의 극단적인 환경에 이상적인 선택으로 만듭니다.

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전통적인 항공우주 수준의 관성 내비게이션 시스템과 비교하면, MEMS 관성 내비게이션은 세 가지 핵심 장점을 자랑합니다:소형화, 가벼운 디자인 및 저렴한 비용그 핵심 구성 요소는 밀리미터 규모로 축소 될 수 있으며, 무게는 몇 그램에서 수십 그램까지 다양하며 전력 소모량은 밀리 와트 수준까지 낮습니다."중량 감축과 효율성 향상"에 대한 우주선의 핵심 요구를 완벽하게 충족시킵니다.한편, 방사선 저항과 높은 낮은 온도 저항과 같은 특수 강화 치료 후, MEMS 관성 탐색은 진공을 포함한 극한 공간 조건에 견딜 수 있습니다.강한 방사선 및 급격한 온도 변동 (-200°C~+120°C), 안정성과 신뢰성이 항공우주 수준의 표준에 도달합니다.

2우주 탐사용 종합 보조자 MEMS 관성 항법의 핵심 응용 시나리오

2.1 위성 및 우주선을 위한 "정책 제어기"

위성들은 궤도 운항 중 정밀하게 위치를 유지해야 합니다. (예를 들어 태양 전지판을 태양과 조화시키고 통신 안테나를 지구와 조화시켜야 합니다.)주로 MEMS 관성 내비게이션 시스템으로 수행되는 작업실시간으로 위성의 각속도와 자세 변화를 측정함으로써 자세 제어 시스템에 데이터 지원을 제공합니다.추진기 및 반응 바퀴와 같은 운전 액추에이터, 위성의 안정적인 작동을 보장하기 위해 자세를 적시에 조정합니다..

예를 들어, 낮은 지구 궤도 통신 위성 별자리 (스타링크와 같이), 각 위성은 궤도 전환과 자세 정정 작업을 신속하게 완료해야합니다.MEMS 관성 내비게이션은 "빠른 반응과 작은 크기"의 장점으로 인해 별자리 대량 배포에 대한 핵심 내비게이션 구성 요소가되었습니다.깊은 우주 탐사선 (마르스 탐사선과 소행성 탐지선과 같이) 은 지구에서 멀리 떨어진 깊은 우주에서 지상 텔레메트리 신호에 의존하는 실시간 탐색이 불가능합니다.MEMS 관성 탐사, 별 추적기와 원자 시계와 결합하여 탐사선이 목표 천체로 정확하게 날아가는 것을 보장하는 자율적인 탐사 시스템을 형성합니다.

2.2 유인 우주 비행의 "안전 보호자"

유인 우주선과 우주 정거장과 같은 유인 우주선에서, MEMS 관동 탐사선은 "생명 지원 수준"의 중요한 임무를 수행합니다.우주선의 속도와 위치, 궤도 조정 및 랜덤 및 도킹에 대한 정확한 데이터를 제공,하지만 또한 긴급 상황 (우주선과 우주 정거장 사이의 도킹 실패와 같은) 에 대한 긴급 자세 제어 프로그램을 신속하게 활성화 할 수 있습니다., 또는 대기권으로 재입국하는 동안 환승 캡슐의 비정상적인 자세), 따라서 우주인의 안전을 보장합니다.

예를 들어, 첸저우 우주선을 들자면, 복귀 캡슐이 대기권으로 다시 들어가면,적외선 내비게이션 및 낙하산 제어 시스템과 연동하여 작동합니다., 정해진 착륙 지점에 안전하게 착륙할 수 있도록 복귀 캡슐의 위치와 자세를 정확하게 계산합니다.미니어처 MEMS 관성 탐사 모듈이 우주비행사들의 우주복에 통합되어 있습니다.우주비행사들의 움직임을 실시간으로 모니터링하고 차량 밖의 활동에 대한 탐색 참조를 제공합니다.

2.3 우주 로봇 및 궤도 서비스용 '정밀 탐사기'

우주 궤도 서비스 기술 개발 (위성 유지보수, 우주 쓰레기 제거 및 궤도 조립 등)우주 로봇 (로봇 팔 및 자율 이동 로봇) 은 핵심 장비가 되었습니다., 그리고 MEMS 관성 내비게이션은 그들의 "정밀 작동"의 열쇠입니다. 그것은 실시간으로 로봇의 관절 운동과 위치 오차를 감지 할 수 있습니다.로봇 팔이 위성을 정확하게 잡을 수 있도록, 장비 교체를 완료하거나 이동용 로봇이 우주 정거장 객실 밖에서 미리 결정된 경로를 따라 이동할 수 있도록 합니다.

예를 들어, 국제 우주 정거장 (ISS) 의 로봇 팔이 우주비행사를 옮기고 화물을 운반할 때,MEMS 관성 내비게이션에 의해 제공되는 고정도의 자세 데이터는 센티미터 수준 내에서 운영 오류를 제어 할 수 있습니다.미래에는 "우주 견인차"가 우주 쓰레기를 청소할 때그리고 MEMS 관성 항해의 자율 항해 능력은 안정적이고 신뢰할 수있는 도킹 프로세스를 보장 할 수 있습니다..

2.4 우주 탐사를 위한 '자율 항해기'

달과 화성 탐사 같은 우주 탐사 임무에서 지상 텔레메트리 신호는 몇 분 또는 수십 분의 지연을 가지고 있습니다.탐사기의 실시간 제어 불가능따라서 MEMS 관성 항법의 "자율 항법" 기능은 특히 중요합니다. 광적 항법, 레이더 항법 및 기타 기술과 통합되어,여러 출처의 핵융합 항법 시스템을 형성합니다., 탐사선이 독립적으로 경로를 계획하고 장애물을 피하고 정확한 착륙을 할 수 있도록합니다.

예를 들어, 창'에-5 달 탐사선이 달 표면 표본을 채취했을 때, MEMS 관성 내비게이션은 탐사선의 자세와 위치를 실시간으로 모니터링했습니다.표본을 채취하는 로봇 팔이 목표 영역을 정확하게 배치하도록 하는 것화성 표면에 탐사선이 이동할 때 MEMS 관성 내비게이션과 지형 카메라 데이터를 결합하면모래 언덕에 갇히거나 바위와 충돌하지 않도록 여행 방향과 속도를 독립적으로 조정합니다..

3. 기술 혁신과 미래 전망 "이용가능"에서 "대저 효율적"으로

우주 분야에서 MEMS 관성 탐색의 적용은 두 가지 핵심 기술 돌파구에서 분리 할 수 없습니다. 첫째는정확성 향상새로운 재료 (실리콘 기반의 미세 구조와 쿼츠 결정 등) 와 신호 처리 알고리즘 (칼만 필터링 및 신경 네트워크 보상 등) 을 채택함으로써MEMS 자이로스코프의 편향 안정성은 0 수준에 도달했습니다..01°/h, 이는 전통적인 광섬유 관성 내비게이션 시스템과 가깝습니다.극한 환경용 강화최적화된 포장 기술과 방사선 보호 설계로 MEMS 관성 내비게이션은 혹독한 우주 방사선 환경에서 오랫동안 안정적으로 작동 할 수 있습니다.10년 이상 사용가능한.

미래에는 MEMS 관성 내비게이션의 응용은 우주 분야에서 세 가지 방향으로 발전할 것입니다. 첫째는소형화 및 통합, 탐사, 통신 및 에너지 공급과 같은 기능을 하나의 칩에 통합하여 "칩 상 우주선"을 만듭니다.멀티 소스 퓨전 내비게이션, 별 추적기, 원자 시계, 양자 내비게이션 및 기타 기술과 깊은 통합을 달성하여 탐색 정확성과 신뢰성을 더욱 향상시킵니다.우주 팽창, 소행성 탐사 및 항성 내비게이션과 같은 더 먼 우주 임무에 적용되고 있으며, 우주를 탐험하는 인간에게 " 휴대용 내비게이션 두뇌"가되었습니다.

4결론

위성 정지 제어에서 유인 우주 비행 안전 보장까지,MEMS 관성 내비게이션은 우주 탐사의 내비게이션 모드를 변형시키고 있습니다., 자율성과 높은 신뢰성". 기술의 지속적인 발전과 함께,이 "미니어처 내비게이션 뇌"는 인간에게 더 먼 우주 여행에서 알려지지 않은 것을 탐구할 수 있는 탄탄한 내비게이션 지원을 제공할 것입니다., 우주 탐사가 더 높은 효율성, 더 낮은 비용과 더 큰 안전의 새로운 시대로 들어갈 수 있도록 지원합니다.

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