Инерциальная навигация MEMS: «Миниатюрный навигационный мозг» для исследования космоса

- Что?

1Что такое инерциальная навигация MEMS? Миниатюрное ядро космической навигации

Инерциальная навигационная система MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) представляет собой высокоточное навигационное устройство, изготовленное на основе микроэлектромеханической технологии.Он в основном состоит из гироскопов MEMS (для измерения угловой скорости), акселерометры MEMS (для измерения ускорения) и устройства обработки данных.он может самостоятельно рассчитать положениеЭта функция "автономной навигации" делает его идеальным выбором для экстремальной среды космоса.

- Что?

По сравнению с традиционными системами инерциальной навигации аэрокосмического класса инерциальная навигация MEMS имеет три основных преимущества:миниатюризация, легкий дизайн и низкая стоимостьЕго основные компоненты могут быть уменьшены до миллиметрового масштаба, с весом от нескольких граммов до десятков граммов и энергопотреблением до милливатт.идеально удовлетворяет основным требованиям космических аппаратов для "уменьшения веса и повышения эффективности"Между тем, после специальных усилительных процедур, таких как устойчивость к излучению и высоко-низкотемпературная устойчивость, инерциальная навигация MEMS может выдерживать экстремальные пространственные условия, включая вакуум,сильное излучение и резкие изменения температуры (-200°C ~ +120°C), с его стабильностью и надежностью, достигающей стандартов аэрокосмического класса.

2. Всесторонний помощник для исследования космоса Основные сценарии применения инерциальной навигации MEMS

2.1 "Контролер настроения" для спутников и космических аппаратов.

Спутники должны точно поддерживать свое положение во время орбитальной работы (например, выравнивание солнечных панелей с солнцем и коммуникационных антенн с Землей),задача, выполняемая в основном инерциальными навигационными системами MEMSИзмеряя в режиме реального времени угловую скорость и изменение положения спутников, он обеспечивает поддержку данных для системы управления положением,приводящие приводы, такие как двигатели и реакционные колеса, чтобы своевременно регулировать положение и обеспечивать стабильную работу спутников.

Например, в созвездиях спутников связи на низкой околоземной орбите (таких как Starlink) каждый спутник должен быстро завершить переключение орбиты и калибровку положения.Инерциальная навигация MEMS стала основным компонентом навигации для развертывания групп созвездий из-за его преимуществ "быстрого ответа и небольшого размера"Для космических зондов (таких как марсоходы и детекторы астероидов) навигация в режиме реального времени, основанная на наземных телеметрических сигналах, невозможна в глубоком космосе далеко от Земли.Инерциальная навигация MEMS, в сочетании с звездными трекерами и атомными часами, формирует автономную навигационную систему, чтобы обеспечить точный полет зонда к целевому небесному телу.

2.2 "Хранитель безопасности" для пилотируемых космических полетов

На пилотируемых космических кораблях, таких как пилотируемые космические корабли и космические станции, инерциальная навигация MEMS выполняет критическую миссию "уровня жизнеобеспечения".скорость и положение космического аппарата, предоставляя точные данные для корректировки орбиты, встречи и стыковки,но также может быстро запустить программу управления аварийным положением в случае чрезвычайных ситуаций (например, сбой стыковки между космическим кораблем и космической станцией, или ненормальное положение обратной капсулы во время повторного входа в атмосферу), таким образом обеспечивая безопасность астронавтов.

Возьмем, к примеру, космический корабль Шэнчжоу, когда капсула возвращения вернется в атмосферу, она испытает интенсивное аэродинамическое нагревание и нарушение положения.работают в координации с инфракрасными навигационными и парашютными системами управления, точно рассчитывает положение и положение капсулы возвращения, чтобы обеспечить безопасную посадку на заранее определенном месте посадки.миниатюрный инерциальный навигационный модуль MEMS интегрирован в космические костюмы астронавтов, который в режиме реального времени отслеживает движение астронавтов и обеспечивает ориентацию навигации для вневоздушной деятельности.

2.3 "Точный навигатор" для космических роботов и орбитальных служб.

С развитием технологий космических услуг на орбите (таких как обслуживание спутников, удаление космического мусора и сборка на орбите),Космические роботы (роботные руки и автономные мобильные роботы) стали основным оборудованием, и инерциальная навигация MEMS является ключом к их "точной работе". Она может в режиме реального времени определять движение суставов и отклонение положения роботов,обеспечение точного захвата спутников роботизированной рукой, завершает замену оборудования или позволяет мобильному роботу двигаться по заранее определенному пути за пределами кабины космической станции.

Например, когда роботизированная рука Международной космической станции (МКС) перевозит астронавтов и грузы,высокоточные данные о положении, предоставляемые инерциальной навигацией MEMS, могут контролировать ошибку работы в пределах сантиметровВ будущем, когда "космические буксиры" будут убирать космический мусор, они должны точно пристыковаться с мусором,и автономная навигационная способность инерциальной навигации MEMS может обеспечить стабильный и надежный процесс стыковки.

2.4 "Автономный навигатор" для исследования глубокого космоса.

В миссиях по исследованию глубокого космоса, таких как исследование Луны и Марса, наземные телеметрические сигналы имеют задержку в несколько минут или даже десятки минут.что делает невозможным управление зондом в режиме реального времениОсобую важность имеет особенность "автономной навигации" инерциальной навигации MEMS, которая интегрируется с оптической навигацией, радиолокационной навигацией и другими технологиями.он формирует многоисточниковую навигационную систему слияния, что позволяет зонду самостоятельно планировать маршруты, избегать препятствий и достигать точной посадки.

Например, когда лунный зонд Чанъэ-5 проводил отбор проб лунной поверхности, инерциальная навигация MEMS в режиме реального времени отслеживала положение и положение зонда,обеспечение точной позиции роботизированной руки для отбора проб в целевой области;Когда марсоход проходит по марсианской поверхности, инерциальная навигация MEMS, в сочетании с данными камеры,самостоятельно регулирует направление движения и скорость, чтобы не застрять в песчаных дюнах или столкнуться с камнями.

3. Технологические прорывы и перспективы будущего от "полезного" до "высокоэффективного"

Применение инерциальной навигации MEMS в космическом поле неотделимо от двух основных технологических прорывов.повышение точностиПринятие новых материалов (таких как микроструктуры на основе кремния и кварцевые кристаллы) и алгоритмов обработки сигналов (таких как фильтрация Калмана и компенсация нейронных сетей),устойчивость гироскопов MEMS достигла уровня 0.01°/h, что близко к традиционным инерциальным навигационным системам с оптическим волокном.усиление для экстремальных условийБлагодаря оптимизированной технологии упаковки и конструкции радиационной экранизации, инерциальная навигация MEMS может стабильно работать в течение длительного времени в суровой космической радиационной среде.с эксплуатационным сроком более 10 лет.

В будущем применение инерциальной навигации MEMS в космическом поле будет развиваться в трех направлениях.миниатюризация и интеграция, интегрируя такие функции, как навигация, связь и энергоснабжение на одном чипе для создания "космического корабля на чипе".навигация на основе мультиисточника, достижение глубокой интеграции с звездоследователями, атомными часами, квантовой навигацией и другими технологиями для дальнейшего повышения точности и надежности навигации.расширение глубокого космоса, применяется в дальнейших космических миссиях, таких как исследование астероидов и межзвездная навигация, и становится "переносным навигационным мозгом" для людей для исследования Вселенной.

4Заключение.

От управления спутниковым положением до гарантии безопасности пилотируемых космических полетов, от исследования глубокого космоса, автономной навигации до точной работы космических роботов,Инерциальная навигация MEMS преобразует навигационный режим исследования космоса с его характеристиками "миниатюризации"С непрерывным развитием технологий,Этот "миниатюрный навигационный мозг" предоставит человеку надежную навигационную поддержку для исследования неизвестного в более далеких космических путешествиях, помогая исследованию космоса вступить в новую эру более высокой эффективности, более низкой стоимости и большей безопасности.

- Что?