Inercyjna nawigacja MEMS: „Miniaturowy mózg nawigacyjny” dla eksploracji kosmosu

- Nie.

1Co to jest nawigacja inercyjna MEMS?

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) System nawigacji inercyjnej to urządzenie nawigacyjne o wysokiej precyzji wytwarzane na podstawie technologii mikro-elektro-mechanicznej.Składa się głównie z żyroskopów MEMS (do pomiaru prędkości kątowej), akcelerometry MEMS (do pomiaru przyspieszenia) i jednostki przetwarzające dane.może samodzielnie obliczyć pozycjęTa funkcja "autonomicznej nawigacji" czyni go idealnym wyborem dla ekstremalnych warunków przestrzeni kosmicznej.

- Nie.

W porównaniu z tradycyjnymi systemami nawigacji inercjalnej klasy lotniczej, nawigacja inercjalna MEMS ma trzy podstawowe zalety:miniaturyzacja, lekki projekt i niskie kosztyJego podstawowe elementy mogą być redukowane do skali milimetrowej, o masie od kilku gramów do kilkudziesięciu gramów i zużyciu energii tak niskim, jak poziom miliwata.doskonale spełniające podstawowe wymagania statków kosmicznych dotyczące "zmniejszenia masy i poprawy wydajności"Tymczasem po specjalnych obróbkach wzmacniających, takich jak odporność na promieniowanie i odporność na wysokie i niskie temperatury, nawigacja inercyjna MEMS może wytrzymać ekstremalne warunki przestrzenne, w tym próżnię,silne promieniowanie i drastyczne zmiany temperatury (-200°C~+120°C), a jego stabilność i niezawodność osiągają standardy lotnicze.

2. wszechstronny asystent dla eksploracji kosmosu

2.1 "Kontrolownik nastawienia" dla satelitów i statków kosmicznych

Satelity muszą zachować dokładną pozycję podczas pracy na orbicie (np. ustawienie paneli słonecznych na słonecznym poziomie i anten komunikacyjnych na Ziemi),zadanie wykonywane głównie przez systemy nawigacji inercyjnej MEMSDzięki pomiarowi prędkości kątowej i zmian postawy satelitów w czasie rzeczywistym, zapewnia ono wsparcie danych dla systemu kontroli postawy,napędzające siły napędowe, takie jak silniki i koła reakcyjne, w celu terminowego dostosowania pozycji i zapewnienia stabilnej pracy satelitów.

Na przykład w konstelacjach satelitarnych komunikacyjnych na niskiej orbicie (takich jak Starlink) każdy satelit musi szybko zakończyć przełączanie orbity i kalibrację postawy.Nawigacja inercyjna MEMS stała się podstawowym elementem nawigacji dla rozmieszczania partii konstelacji ze względu na jej zalety "szybkiej reakcji i małego rozmiaru"W przypadku sond kosmicznych (takich jak łazika Mars i detektory asteroid) nawigacja w czasie rzeczywistym oparta na naziemnych sygnałach telemetrycznych jest niemożliwa w kosmosie daleko od Ziemi.Nawigacja inercyjna MEMS, w połączeniu z śledzącymi gwiazdy i zegarkami atomowymi, tworzy autonomiczny system nawigacji, który zapewnia, że sonda dokładnie poleci do docelowego ciała niebieskiego.

2.2 "Opiekun bezpieczeństwa" dla załogowych lotów kosmicznych

Na pokładach statków kosmicznych, takich jak statki kosmiczne i stacje kosmiczne, nawigacja inercyjna MEMS wykonuje krytyczną misję "poziomu podtrzymania życia".prędkość i położenie statku kosmicznego, zapewniające dokładne dane dotyczące regulacji orbitalnej, spotkania i dokowania,ale także może szybko uruchomić program kontroli nastawienia awaryjnego w razie nagłych wypadków (takich jak awaria doku między statkiem kosmicznym a stacją kosmiczną, lub nieprawidłowej pozycji kapsuły powrotnej podczas ponownego wejścia do atmosfery), zapewniając w ten sposób bezpieczeństwo astronautów.

Przykładowo statek kosmiczny Shenzhou, kiedy kapsuła powrotna ponownie wejdzie do atmosfery, doświadczy intensywnego ogrzewania aerodynamicznego i zakłóceń nastawienia.praca w koordynacji z systemami nawigacji podczerwonej i sterowania spadochronem, dokładnie oblicza położenie i pozycję kapsuły powrotnej, aby zapewnić jej bezpieczne lądowanie na ustalonym wcześniej miejscu lądowania.miniaturowy moduł nawigacji inercyjnej MEMS jest zintegrowany z kosmicznymi kostiumami kosmonautów, który w czasie rzeczywistym monitoruje nastawienie ruchu astronautów i zapewnia odniesienie nawigacyjne dla działań poza pojazdem.

2.3 "Precyzyjny nawigacyjny" dla robotów kosmicznych i usług na orbicie.

Wraz z rozwojem technologii usług kosmicznych na orbicie (takich jak konserwacja satelitów, usuwanie odpadów kosmicznych i montaż na orbicie),Roboty kosmiczne (robotowe ramiona i autonomiczne roboty ruchome) stały się podstawowym wyposażeniem, a nawigacja inercyjna MEMS jest kluczem do ich "precyzyjnej pracy".Zapewnienie, że ramię robotyczne dokładnie chwyta satelity, kończy wymianę sprzętu lub umożliwia ruchomemu robotowi poruszanie się wzdłuż z góry ustalonej ścieżki poza kabiną stacji kosmicznej.

Na przykład, gdy ramię robotyczne Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) przenosi astronautów i przewozi ładunek,wysokiej precyzji danych o nastawieniu dostarczanych przez nawigację inercyjną MEMS może kontrolować błąd operacyjny w granicach centymetrowychW przyszłości, kiedy "kosmiczne holowniki" będą sprzątać kosmiczne szczątki, będą musiały dokładnie dokować z szczątkami,i autonomiczne możliwości nawigacji nawigacji inercyjnej MEMS mogą zapewnić stabilny i niezawodny proces dokowania.

2.4 "Autonomiczny nawigacyjny" do eksploracji kosmosu głębokiego

W misjach badawczych w kosmosie, takich jak badania Księżyca i Marsa, naziemne sygnały telemetryczne mają opóźnienie kilku minut, a nawet kilkudziesięciu minut.co uniemożliwia kontrolę sondy w czasie rzeczywistym.W związku z tym szczególnie ważna jest funkcja "autonomicznej nawigacji" nawigacji inercyjnej MEMS.tworzy wieloźródłowy system nawigacji fuzyjnej, umożliwiając sondzie samodzielne planowanie tras, unikanie przeszkód i osiągnięcie precyzyjnego lądowania.

Na przykład, gdy sonda księżycowa Chang'e-5 przeprowadzała pobieranie próbek na powierzchni Księżyca, nawigacja inercyjna MEMS w czasie rzeczywistym monitorowała postawę i pozycję sondy,zapewnienie dokładnej pozycji ręki robotowej do pobierania próbek w obszarze docelowymKiedy łazik podróżuje po powierzchni Marsa, nawigacja inercyjna MEMS, w połączeniu z danymi kamer terenowych,niezależnie dostosowuje kierunek jazdy i prędkość, aby uniknąć utknęcia w wydmach piaskowych lub zderzenia się z skałami.

3. Przełomy technologiczne i perspektywy przyszłości

Wykorzystanie nawigacji inercjalnej MEMS w przestrzeni kosmicznej jest nierozerwalnie związane z dwoma podstawowymi przełomami technologicznymi.poprawa precyzji. Przyjmując nowe materiały (takie jak mikrostruktury na bazie krzemu i kryształy kwarcowe) oraz algorytmy przetwarzania sygnałów (takie jak filtrowanie Kalmana i kompensacja sieci neuronowej),stabilność strączkowości żyroskopów MEMS osiągnęła poziom 0.01°/h, co jest zbliżone do tradycyjnych systemów nawigacji inercjalnej światłowodowej.wzmocnienie do ekstremalnych warunkówDzięki zoptymalizowanej technologii opakowania i konstrukcji osłony promieniowania, nawigacja inercyjna MEMS może pracować stabilnie przez długi czas w trudnym środowisku promieniowania kosmicznego,o długości eksploatacji większej niż 10 lat.

W przyszłości zastosowanie nawigacji inercyjnej MEMS w polu kosmicznym będzie się rozwijać w trzech kierunkach.miniaturyzacja i integracja, zintegrowanie funkcji takich jak nawigacja, komunikacja i zasilanie energią na jednym chipie w celu stworzenia "rakety kosmicznej na chipie".nawigacja fuzyjna z wielu źródeł, osiągnięcie głębokiej integracji z systemami śledzenia gwiazd, zegarkami atomowymi, nawigacją kwantową i innymi technologiami w celu dalszego poprawy dokładności i niezawodności nawigacji.ekspansja w kosmosie, będąc stosowany w dalszych misjach kosmicznych, takich jak eksploracja asteroid i nawigacja międzygwiezdna, i stając się "przenośnym mózgiem nawigacyjnym" dla ludzi do eksploracji wszechświata.

4Wniosek

Od kontroli nastawienia satelitarnego do gwarancji bezpieczeństwa lotów kosmicznych, od badań głębokiej przestrzeni kosmicznej, autonomicznej nawigacji po precyzyjne działanie robotów kosmicznych,Nawigacja inercjalna MEMS zmienia tryb nawigacji badań kosmicznych ze swoimi cechami "miniaturyzacji"Wraz z ciągłym postępem technologii,Ten "miniaturowy mózg nawigacyjny" zapewni solidne wsparcie nawigacyjne dla ludzi, aby odkrywać nieznane w odległych kosmicznych podróżach., pomagając eksploracji przestrzeni kosmicznej wejść w nową erę wyższej wydajności, niższych kosztów i większego bezpieczeństwa.

- Nie.