2025-12-15
ระบบนำทางเฉื่อย MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) เป็นอุปกรณ์นำทางความแม่นยำสูงที่ผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีไมโครอิเล็กโทร-กลไก โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยไจโรสโคป MEMS (สำหรับวัดความเร็วเชิงมุม), เครื่องวัดความเร่ง MEMS (สำหรับวัดความเร่ง) และหน่วยประมวลผลข้อมูล โดยไม่ต้องพึ่งพาการอ้างอิงภายนอก เช่น สัญญาณดาวเทียมหรือสถานีฐานภาคพื้นดิน ระบบนี้สามารถคำนวณตำแหน่ง ความเร็ว และข้อมูลทัศนคติได้อย่างอิสระโดยการรับรู้สถานะการเคลื่อนที่ของตัวเอง คุณสมบัติ "การนำทางอัตโนมัติ" นี้ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสภาพแวดล้อมสุดขั้วของอวกาศ
เมื่อเทียบกับระบบนำทางเฉื่อยเกรดอากาศยานแบบดั้งเดิม ระบบนำทางเฉื่อย MEMS มีข้อได้เปรียบหลักสามประการ: การย่อขนาด การออกแบบที่มีน้ำหนักเบา และต้นทุนต่ำ. ส่วนประกอบหลักสามารถลดขนาดลงได้ถึงระดับมิลลิเมตร โดยมีน้ำหนักตั้งแต่ไม่กี่กรัมไปจนถึงหลายสิบกรัม และใช้พลังงานต่ำถึงระดับมิลลิวัตต์ นอกจากนี้ ยังสามารถผลิตจำนวนมากได้ ซึ่งตอบสนองความต้องการหลักของยานอวกาศในการ "ลดน้ำหนักและปรับปรุงประสิทธิภาพ" ในขณะเดียวกัน หลังจากการบำบัดเสริมพิเศษ เช่น ความทนทานต่อรังสีและความทนทานต่ออุณหภูมิสูง-ต่ำ ระบบนำทางเฉื่อย MEMS สามารถทนต่อสภาวะอวกาศสุดขั้ว รวมถึงสุญญากาศ รังสีที่รุนแรง และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง (-200℃~+120℃) โดยมีความเสถียรและความน่าเชื่อถือถึงมาตรฐานเกรดอากาศยาน
ดาวเทียมจำเป็นต้องรักษาทัศนคติอย่างแม่นยำในระหว่างการปฏิบัติงานในวงโคจร (เช่น การจัดแผงโซลาร์เซลล์ให้ตรงกับดวงอาทิตย์ และเสาอากาศสื่อสารกับโลก) ซึ่งเป็นงานที่ระบบนำทางเฉื่อย MEMS ทำเป็นหลัก โดยการวัดความเร็วเชิงมุมและการเปลี่ยนแปลงทัศนคติของดาวเทียมแบบเรียลไทม์ ระบบนี้ให้การสนับสนุนข้อมูลสำหรับระบบควบคุมทัศนคติ ขับเคลื่อนตัวกระตุ้น เช่น เครื่องยนต์ขับดันและวงล้อปฏิกิริยาเพื่อปรับทัศนคติในเวลาที่เหมาะสม และรับประกันการทำงานที่เสถียรของดาวเทียม
ตัวอย่างเช่น ในกลุ่มดาวเทียมสื่อสารวงโคจรต่ำของโลก (เช่น Starlink) ดาวเทียมแต่ละดวงจำเป็นต้องทำการสลับวงโคจรและการปรับเทียบทัศนคติให้เสร็จสิ้นอย่างรวดเร็ว ระบบนำทางเฉื่อย MEMS ได้กลายเป็นส่วนประกอบการนำทางหลักสำหรับการปรับใช้กลุ่มดาวเนื่องจากข้อได้เปรียบของ "การตอบสนองที่รวดเร็วและขนาดเล็ก" สำหรับยานสำรวจอวกาศลึก (เช่น รถสำรวจดาวอังคารและเครื่องตรวจจับดาวเคราะห์น้อย) การนำทางแบบเรียลไทม์ที่อาศัยสัญญาณโทรมาตรภาคพื้นดินเป็นไปไม่ได้ในอวกาศลึกที่อยู่ห่างไกลจากโลก ระบบนำทางเฉื่อย MEMS รวมกับเครื่องติดตามดาวและนาฬิกาอะตอม สร้างระบบนำทางอัตโนมัติเพื่อให้แน่ใจว่ายานสำรวจบินไปยังวัตถุท้องฟ้าเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ
ในยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม เช่น ยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุมและสถานีอวกาศ ระบบนำทางเฉื่อย MEMS ทำหน้าที่เป็นภารกิจสำคัญใน "ระดับการสนับสนุนชีวิต" ไม่เพียงแต่สามารถตรวจสอบทัศนคติ ความเร็ว และตำแหน่งของยานอวกาศแบบเรียลไทม์ โดยให้ข้อมูลที่ถูกต้องสำหรับการปรับวงโคจรและการนัดพบและเทียบท่าเท่านั้น แต่ยังสามารถเรียกใช้โปรแกรมควบคุมทัศนคติฉุกเฉินได้อย่างรวดเร็วในกรณีฉุกเฉิน (เช่น ความล้มเหลวในการเทียบท่าระหว่างยานอวกาศกับสถานีอวกาศ หรือทัศนคติที่ผิดปกติของแคปซูลส่งกลับระหว่างการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ) จึงมั่นใจในความปลอดภัยของนักบินอวกาศ
ยกตัวอย่างยานอวกาศเสินโจว เมื่อแคปซูลส่งกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศอีกครั้ง จะต้องเผชิญกับความร้อนจากอากาศพลศาสตร์ที่รุนแรงและการรบกวนทัศนคติ ระบบนำทางเฉื่อย MEMS ทำงานร่วมกับระบบนำทางอินฟราเรดและระบบควบคุมร่มชูชีพ คำนวณตำแหน่งและทัศนคติของแคปซูลส่งกลับอย่างแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าลงจอดอย่างปลอดภัย ณ จุดลงจอดที่กำหนด นอกจากนี้ โมดูลนำทางเฉื่อย MEMS ขนาดเล็กยังถูกรวมเข้ากับชุดอวกาศนอกยานของนักบินอวกาศ ซึ่งตรวจสอบทัศนคติการเคลื่อนที่ของนักบินอวกาศแบบเรียลไทม์ และให้ข้อมูลอ้างอิงการนำทางสำหรับกิจกรรมนอกยาน
ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีบริการในวงโคจร (เช่น การบำรุงรักษาสถานีอวกาศ การกำจัดเศษซากอวกาศ และการประกอบในวงโคจร) หุ่นยนต์อวกาศ (แขนกลและหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ) ได้กลายเป็นอุปกรณ์หลัก และระบบนำทางเฉื่อย MEMS เป็นกุญแจสำคัญในการ "ปฏิบัติงานอย่างแม่นยำ" สามารถรับรู้การเคลื่อนที่ของข้อต่อและการเบี่ยงเบนตำแหน่งของหุ่นยนต์แบบเรียลไทม์ ทำให้มั่นใจได้ว่าแขนกลจะจับดาวเทียมได้อย่างแม่นยำ ทำการเปลี่ยนอุปกรณ์ให้เสร็จสิ้น หรือทำให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่สามารถเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่กำหนดไว้นอกห้องโดยสารสถานีอวกาศ
ตัวอย่างเช่น เมื่อแขนกลของสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ส่งตัวนักบินอวกาศและขนส่งสินค้า ข้อมูลทัศนคติความแม่นยำสูงที่จัดทำโดยระบบนำทางเฉื่อย MEMS สามารถควบคุมข้อผิดพลาดในการปฏิบัติงานให้อยู่ในระดับเซนติเมตร ในอนาคต เมื่อ "ยานลากอวกาศ" ทำความสะอาดเศษซากอวกาศ พวกเขาจำเป็นต้องเทียบท่ากับเศษซากอย่างแม่นยำ และความสามารถในการนำทางอัตโนมัติของระบบนำทางเฉื่อย MEMS สามารถรับประกันกระบวนการเทียบท่าที่เสถียรและเชื่อถือได้
ในภารกิจสำรวจอวกาศลึก เช่น การสำรวจดวงจันทร์และดาวอังคาร สัญญาณโทรมาตรภาคพื้นดินมีความล่าช้าหลายนาทีหรือหลายสิบนาที ทำให้ไม่สามารถควบคุมยานสำรวจได้แบบเรียลไทม์ คุณสมบัติ "การนำทางอัตโนมัติ" ของระบบนำทางเฉื่อย MEMS จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เมื่อรวมเข้ากับการนำทางด้วยแสง การนำทางด้วยเรดาร์ และเทคโนโลยีอื่นๆ จะสร้างระบบนำทางแบบหลายแหล่งข้อมูล ทำให้ยานสำรวจสามารถวางแผนเส้นทาง หลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง และทำการลงจอดได้อย่างแม่นยำ
ตัวอย่างเช่น เมื่อยานสำรวจดวงจันทร์ฉางเอ๋อ-5 ทำการสุ่มตัวอย่างพื้นผิวดวงจันทร์ ระบบนำทางเฉื่อย MEMS ได้ตรวจสอบทัศนคติและตำแหน่งของยานสำรวจแบบเรียลไทม์ ทำให้มั่นใจได้ว่าแขนกลสุ่มตัวอย่างอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องในพื้นที่เป้าหมาย เมื่อรถสำรวจดาวอังคารเดินทางบนพื้นผิวดาวอังคาร ระบบนำทางเฉื่อย MEMS รวมกับข้อมูลกล้องถ่ายภาพภูมิประเทศ จะปรับทิศทางการเดินทางและความเร็วอย่างอิสระเพื่อหลีกเลี่ยงการติดอยู่ในเนินทรายหรือชนกับก้อนหิน
การประยุกต์ใช้ระบบนำทางเฉื่อย MEMS ในสาขาอวกาศนั้นแยกออกจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีหลักสองประการไม่ได้ ประการแรกคือ การปรับปรุงความแม่นยำ. โดยการนำวัสดุใหม่ๆ มาใช้ (เช่น โครงสร้างจุลภาคที่ใช้ซิลิคอนและคริสตัลควอตซ์) และอัลกอริทึมการประมวลผลสัญญาณ (เช่น การกรองแบบคาลมานและการชดเชยเครือข่ายประสาท) ความเสถียรของอคติของไจโรสโคป MEMS ได้มาถึงระดับ 0.01°/ชม. ซึ่งใกล้เคียงกับระบบนำทางเฉื่อยไฟเบอร์ออปติกแบบดั้งเดิม ประการที่สองคือ การเสริมความแข็งแกร่งสำหรับสภาพแวดล้อมสุดขั้ว. ด้วยเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสมที่สุดและการออกแบบการป้องกันรังสี ระบบนำทางเฉื่อย MEMS สามารถทำงานได้อย่างเสถียรเป็นเวลานานในสภาพแวดล้อมรังสีอวกาศที่รุนแรง โดยมีอายุการใช้งานมากกว่า 10 ปี
ในอนาคต การประยุกต์ใช้ระบบนำทางเฉื่อย MEMS ในสาขาอวกาศจะพัฒนาไปในสามทิศทาง ประการแรกคือ การย่อขนาดและการรวมรวมฟังก์ชันต่างๆ เช่น การนำทาง การสื่อสาร และการจ่ายพลังงานไว้ในชิปตัวเดียวเพื่อสร้าง "ยานอวกาศบนชิป" ประการที่สองคือ การนำทางแบบหลายแหล่งข้อมูลบรรลุการบูรณาการเชิงลึกกับเครื่องติดตามดาว นาฬิกาอะตอม การนำทางควอนตัม และเทคโนโลยีอื่นๆ เพื่อปรับปรุงความแม่นยำและความน่าเชื่อถือในการนำทางให้ดียิ่งขึ้น ประการที่สามคือ การขยายตัวในอวกาศลึกถูกนำไปใช้กับภารกิจในอวกาศที่ไกลออกไป เช่น การสำรวจดาวเคราะห์น้อยและการนำทางระหว่างดวงดาว และกลายเป็น "สมองนำทางแบบพกพา" สำหรับมนุษย์ในการสำรวจจักรวาล
ตั้งแต่การควบคุมทัศนคติดาวเทียมไปจนถึงการรับประกันความปลอดภัยในการบินในอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม ตั้งแต่การนำทางอัตโนมัติในการสำรวจอวกาศลึกไปจนถึงการปฏิบัติงานอย่างแม่นยำของหุ่นยนต์อวกาศ ระบบนำทางเฉื่อย MEMS กำลังปรับเปลี่ยนโหมดการนำทางของการสำรวจอวกาศด้วยคุณสมบัติของ "การย่อขนาด ความเป็นอิสระ และความน่าเชื่อถือสูง" ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง "สมองนำทางขนาดจิ๋ว" นี้จะให้การสนับสนุนการนำทางที่มั่นคงสำหรับมนุษย์ในการสำรวจสิ่งที่ไม่รู้จักในการเดินทางในจักรวาลที่ไกลออกไป ช่วยให้การสำรวจอวกาศเข้าสู่ยุคใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ต้นทุนต่ำลง และความปลอดภัยมากขึ้น
ส่งคำถามของคุณโดยตรงกับเรา
