ناوبری بی وقفه MEMS: "مغز ناوبری کوچک" برای اکتشافات فضایی

​

1. ناوبری بی وقفه MEMS چیست؟. هسته کوچک ناوبری فضایی

MEMS (Systems Micro-Electro-Mechanical) سیستم ناوبری بی وقفه یک دستگاه ناوبری با دقت بالا است که بر اساس تکنولوژی میکرو الکترو مکانیکی ساخته شده است.عمدتا از جیروسکوپ های MEMS (برای اندازه گیری سرعت زاویه ای) تشکیل شده استبدون تکیه بر مرجع خارجی مانند سیگنال های ماهواره ای یا ایستگاه های پایه زمینی،می تواند به طور مستقل موقعیت را محاسبه کند.، سرعت و موقعیت اطلاعات با حس حالت حرکت خود را. این ویژگی "ملاحظات مستقل" آن را به یک انتخاب ایده آل برای محیط شدید فضا تبدیل می کند.

​

در مقایسه با سیستم های ناوبری اینرشیال درجه هوانوردی سنتی، ناوبری اینرشیال MEMS دارای سه مزیت اصلی است:کوچک سازی، طراحی سبک و هزینه کماجزای اصلی آن را می توان به مقیاس میلی متری کاهش داد، با وزن از چند گرم تا ده ها گرم و مصرف انرژی به پایین ترین سطح میلی وات.به طور کامل پاسخگویی به تقاضای اصلی فضاپیما برای "کاهش وزن و بهبود بهره وری"در همین حال، پس از درمان های تقویت ویژه مانند مقاومت در برابر تشعشعات و مقاومت در برابر دمای بالا و پایین، ناوبری بی وقفه MEMS می تواند در شرایط فضایی شدید از جمله خلاء مقاومت کند.تشعشعات شدید و تغییرات شدید دمای (-200°C ~ + 120°C)، با ثبات و قابلیت اطمینان آن که به استانداردهای هوافضا می رسد.

2. دستیار همه جانبه برای اکتشافات فضایی - سناریوهای کاربردی اصلی ناوبری بی حرکت MEMS

2.1 "کنترلر نگرش" برای ماهواره ها و فضاپیما

ماهواره ها نیاز به حفظ دقیق موقعیت خود را در طول عملیات مدار (به عنوان مثال، تراز پنل های خورشیدی با خورشید و آنتن های ارتباطی با زمین) ،یک وظیفه که عمدتا توسط سیستم های ناوبری بی وقفه MEMS انجام می شودبا اندازه گیری سرعت زاویه ای و تغییرات موضع ماهواره ها در زمان واقعی، پشتیبانی داده برای سیستم کنترل موضع را فراهم می کند.محرک های محرک مانند محرک ها و چرخ های واکنش برای تنظیم موضع به موقع و اطمینان از عملکرد پایدار ماهواره ها.

به عنوان مثال، در ستاره های ماهواره ای ارتباطی در مدار پایین زمین (مانند استارلینک) ، هر ماهواره ای باید به سرعت تغییر مدار و کالیبراسیون حالت را تکمیل کند.ناوبری بی وقفه MEMS به دلیل مزایای "پاسخ سریع و اندازه کوچک" تبدیل به جزء اصلی ناوبری برای استقرار دسته بندی شده است.برای کاوشگرهای فضایی عمیق (مانند مریخ نوردها و آشکارسازان سیارک ها) ، ناوبری در زمان واقعی که به سیگنال های تله متری زمینی تکیه می کند در فضای عمیق دور از زمین غیرممکن است.ناوبری بی وقفه MEMS، در ترکیب با ردیاب ستاره ها و ساعت های اتمی، یک سیستم ناوبری مستقل را تشکیل می دهد تا اطمینان حاصل شود که کاوشگر به طور دقیق به جسم آسمانی هدف پرواز می کند.

2.2 "حافظ ایمنی" برای پرواز های فضایی پرندگان

در فضاپیماهای سرنشین مانند فضاپیماهای سرنشین و ایستگاه های فضایی، ناوبری بی وقفه MEMS یک ماموریت حیاتی "سطح پشتیبانی از زندگی" را انجام می دهد.سرعت و موقعیت فضاپیما، ارائه داده های دقیق برای تنظیم مدار و ملاقات و اتصال،اما همچنین می تواند به سرعت برنامه کنترل وضعیت اضطراری را در صورت شرایط اضطراری (مانند شکست اتصال بین فضاپیما و ایستگاه فضایی) فعال کند.، یا حالت غیر طبیعی کپسول بازگشت در هنگام ورود مجدد به جو) ، بنابراین ایمنی فضانوردان را تضمین می کند.

به عنوان مثال سفينه فضايي شينژو، وقتي که کپسول برگشت به اتمسفر برگرده، گرم شدن شدید هواگراشي و اختلال در حالت رو تجربه ميکنه.کار در هماهنگی با سیستم های ناوبری مادون قرمز و سیستم های کنترل فرودگاه، موقعیت و حالت کپسول بازگشت را به دقت محاسبه می کند تا اطمینان حاصل شود که به طور ایمن در محل فرود از قبل تعیین شده است.یک ماژول ناوبری بی وقفه کوچک MEMS در لباس های فضایی فضانوردان یکپارچه شده است، که در زمان واقعی نگرش رفتار فضانوردان را نظارت می کند و مرجع ناوبری برای فعالیت های خارج از وسیله نقلیه را فراهم می کند.

2.3 "ناویگاتور دقیق" برای ربات های فضایی و خدمات در مدار

با توسعه فناوری های خدمات فضایی در مدار (مانند نگهداری ماهواره ها، حذف زباله های فضایی و مونتاژ در مدار) ،ربات های فضایی (دست های رباتیک و ربات های متحرک مستقل) به تجهیزات اصلی تبدیل شده اند، و ناوبری بی وقفه MEMS کلید "عمل دقیق" آنها است. می تواند در زمان واقعی حرکت مفاصل و انحراف موقعیت روبات ها را حس کند،مطمئن شدن که بازوی رباتیک به دقت ماهواره ها را بگیرد، تعویض تجهیزات را تکمیل می کند، یا به ربات متحرک امکان می دهد تا در امتداد مسیر از پیش تعیین شده خارج از کابین ایستگاه فضایی حرکت کند.

به عنوان مثال، وقتی بازوی رباتیک ایستگاه فضایی بین المللی فضانوردان را منتقل می کند و محموله را حمل می کند،داده های موقعیت با دقت بالا که توسط ناوبری بی وقفه MEMS ارائه می شود می تواند خطای عملیات را در سطح سانتی متر کنترل کنددر آينده، وقتي که "سنگک هاي فضايي" زباله هاي فضايي رو تميز ميکنن،و قابلیت ناوبری مستقل ناوبری بی وقفه MEMS می تواند یک فرآیند ثابت و قابل اعتماد را تضمین کند.

2.4 "ناویگاتور مستقل" برای اکتشاف فضا

در مأموریت های اکتشافات فضایی مانند اکتشافات ماه و مریخ، سیگنال های تله متری زمینی تاخیر چند دقیقه یا حتی ده ها دقیقه دارند.که کنترل زمان واقعی سُند را غیرممکن می کنداز این رو ویژگی "نویگاسیون مستقل" ناوبری بی وقفه MEMS به ویژه مهم است.که یک سیستم ناوبری چند منبع را تشکیل می دهد.، اجازه می دهد که کاوشگر به طور مستقل مسیرها را برنامه ریزی کند، از موانع اجتناب کند و به فرود دقیق برسد.

به عنوان مثال، زمانی که کاوشگر ماه "چنگه-5" نمونه برداری از سطح ماه را انجام داد، ناوبری بی وقفه MEMS در زمان واقعی نگرش نگرش نگرش و موقعیت کاوشگر،اطمینان از اینکه بازوی رباتیک نمونه گیری به طور دقیق منطقه هدف را قرار داده است.وقتی مریخ نورد روی سطح مریخ سفر می کند، ناوبری بی وقفه MEMS، همراه با داده های دوربین زمین،به طور مستقل جهت سفر و سرعت را تنظیم می کند تا از گیر کردن در تپه های شن یا برخورد با سنگ جلوگیری کند.

3پیشرفت های تکنولوژیکی و چشم انداز آینده از "قابل استفاده" به "بسیار کارآمد"

کاربرد ناوبری بی وقفه MEMS در زمینه فضا از دو پیشرفت هسته ای تکنولوژیکی جدایی ناپذیر است.بهبود دقتبا استفاده از مواد جدید (مانند میکروساخت های مبتنی بر سیلیکون و کریستال های کوارتز) و الگوریتم های پردازش سیگنال (مانند فیلتر سازی Kalman و جبران شبکه عصبی) ،ثبات انحراف ژایروسکوپ های MEMS به سطح 0 رسیده است.01°/h، که نزدیک به سیستم های ناوبری انرشیال فیبر نوری سنتی است.تقویت برای محیط های شدیداز طریق تکنولوژی بسته بندی بهینه شده و طراحی محافظ تابش، ناوبری بی وقفه MEMS می تواند برای مدت طولانی در محیط شدید تابش فضایی به طور پایدار کار کند.با عمر بیشتر از 10 سال.

در آینده، کاربرد ناوبری بی وقفه MEMS در زمینه فضایی در سه جهت توسعه خواهد یافت.کوچک سازی و ادغام، ادغام توابع مانند ناوبری، ارتباطات و تامین انرژی در یک تراشه واحد برای ایجاد "سفینه بر روی تراشه".ناوبری فیوژن چند منبع، دستیابی به یکپارچه سازی عمیق با ردیاب ستاره، ساعت های اتمی، ناوبری کوانتومی و سایر فن آوری ها برای بهبود بیشتر دقت و قابلیت اطمینان ناوبری.گسترش فضای عمیق، در مأموریت های فضایی دورتر مانند اکتشاف سیارک و ناوبری بین ستاره ای استفاده می شود و به "مغز ناوبری قابل حمل" برای انسان برای اکتشاف جهان تبدیل می شود.

4نتیجه گیری

از کنترل موضع ماهواره ای تا تضمین ایمنی پرواز های فضایی پرندگان، از اکتشافات فضایی عمیق، ناوبری مستقل تا عملیات دقیق ربات فضایی،ناوبری بی وقفه MEMS در حال تغییر حالت ناوبری اکتشافات فضایی با ویژگی های "مینیاتوریزاسیون"با پیشرفت مداوم تکنولوژی،اين "مغز کوچک جهت گيري" براي انسان ها کمک هاي قابل ملاحظه اي خواهد کرد تا در سفرهاي دورتر در فضا ناشناخته ها را کشف کنند.، کمک به اکتشافات فضایی برای ورود به یک دوره جدید از بهره وری بیشتر، هزینه های پایین تر و ایمنی بیشتر.

​