Die NASA entwickelt ein supergenaues Nav-System fĂŒr wissenschaftliche Flugzeuge

Die NASA hat einen Weg entwickelt, wie ein Flugzeug die gleiche Flugbahn überall auf der Welt nach einem beliebigen Zeitintervall bis zu einer konstanten Positionsgenauigkeit von 15 Fuß (5 Meter) in jeder Richtung wiederholen kann.

Die Entwicklung der hochgenauen Navigationstechnik war erforderlich, um dem Dryden Flight Research Center der NASA in Edwards, Kalifornien, die Verwendung seiner C-20A Gulfstream III als fliegendes Testbett für einen neuen, kompakten Radarschirm zu ermöglichen, der eine Technik namens Repeat Pass Interferometry verwendet produzieren hochdetaillierte Mikrowellenbilder der Erdoberfläche.

Die vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena, Kalifornien, entwickelte Radareinheit enthält ein L-Band Radar mit synthetischer Apertur, das Mikrowellen im 1,2-Gigahertz-Bereich verwendet, um kleine Verformungen der Erdoberfläche zu detektieren und zu messen wissenschaftliche Forscher. Solche Messungen umfassen die Bewegungen von Gletschern, Erdbebenlinien, Erdrutschen und die Ausdehnung von Vulkanen.

JPL hat das 10 Fuß lange Pod so entworfen, dass es an einer Vielzahl von Flugzeugen montiert werden kann. Dazu gehören unbemannte Flugzeuge, die über lange Zeiträume hinweg in Gebieten von Interesse verweilen können, oder sie können besonders gefährliche Missionen fliegen - etwa über die Kuppeln von Vulkanen, von denen erwartet wird, dass sie bald ausbrechen. Aus diesem Grund hat JPL das Projekt als unbemanntes Luftfahrzeug-Radar mit synthetischer Apertur (UAVSAR) bezeichnet.

Wie zu erwarten ist, nutzt die neue Navigationstechnik, die von der NASA Dryden in Zusammenarbeit mit JPL entwickelt wurde, Signale des Global Positioning Systems (GPS).

Positionsgenauigkeit innerhalb von 1 Fuß

Aber wo das Wide Area Augmentation System, das jetzt in den Vereinigten Staaten für zivile Flugnavigation in Verkehr gebracht wird, Positionskorrekturvektoren liefert, die bis auf 30 Fuß genau sind, benötigt UAVSAR Korrekturvektoren 30 bis 50 mal genauer als diese, so dass sein Radar elektronisch gesteuert werden kann Halten Sie die erforderliche Auflösung im Millimeterbereich ein.

Ein anderes Problem mit kommerziellen GPS-Systemen ist, dass die NavCon-Satelliten, die sie verwenden, nur eine Signalabdeckung auf 75 Grad Breite sowohl auf der nördlichen als auch auf der südlichen Hemisphäre bereitstellen, sagte Scott Hensley, Chefwissenschaftler für das UAVSAR-Programm.

Aber UAVSAR wird verwendet werden, um die Bewegungen von Gletschern in Grönland und der Antarktis zu messen, die in Breitengraden von mehr als 75 Grad liegen. JPL hat daher eine Möglichkeit entwickelt, Echtzeit-GPS-Korrekturvektoren über Iridium-Satellitentelefonkreise zu senden, die eine Abdeckung über den gesamten Globus ermöglichen.

Um die erforderliche Navigationsgenauigkeit zu erreichen, wird das Echtzeit-GPS-Signal, das der UAVSAR-Pod empfängt, den Flugmanagement-Computern der Gulfstream III zugeführt.

Der Platform Precision Autopilot

Dort wird es in einem von der NASA Dryden entwickelten und als Platform Precision Autopilot (PPA) bezeichneten System mit 40-mal-Sekunden-Eingängen von der Laser-Gyro-getriebenen Trägheitsnavigationseinheit (INU) des Flugzeuges kombiniert, um eine sehr genaue Position zu erzeugen und Leitfäden, erklärte James Lee, der Hauptforscher der NASA für den Platform Precision Autopilot.

Wenn die kombinierten GPS- und INU-Signale durch den Navigationsempfänger des Flugzeugs an ihren Flugdirektor geleitet werden, zeigen sie Positions- und Führungsinformationen als Instrumentenlandesystem- (ILS) -Anflugmodusanzeige, die Instrumenten-Piloten vertraut sind. Die ILS-Anzeige zeigt einen Cross-Track-Localizer-Vektor zur Bereitstellung einer seitlichen Führung und einen Glideslope-Vektor zur Bereitstellung einer vertikalen Führung.

Die NASA Dryden hat dafür gesorgt, dass das modifizierte Navigationssystem der Gulfstream III FAA-zertifiziert bleibt, weil es Flugsicherheit bietet.

Außerdem, so Lee, kennen Drydens Piloten die Nickwinkel-, Rollwinkel- und Gierwinkellimits, die in den Flugdirektor des Gulfstream III programmiert sind. "Selbst wenn unser (PPA-) System abgeschaltet ist, wissen wir, was das Flugzeug tun wird", sagt er.

UAVSARs elektronische Steuerung

Um die Dinge einfacher zu machen, entschied sich JPL dafür, dass die 1,5 Meter mal 0,5 Meter große Radarantenne von UAVSAR elektronisch gesteuert wurde - das heißt, ein Mikroprozessor änderte sein Radarsignal, um Änderungen in der Haltung des tragenden Flugzeugs auszugleichen - und nicht mechanisch, sagte Hensley.

Hätte JPL beschlossen, die Antenne mechanisch zu steuern, müsste das Lenksystem jedes Mal modifiziert werden, wenn das UAVSAR-Pod an einem anderen Flugzeug angebracht wurde. Mit der elektronischen Lenkung kann die Gondel ohne Modifikation von Flugzeug zu Flugzeug transportiert werden.

Um die Genauigkeit des elektronischen Lenksystems und die Bildauflösung des Radars sicherzustellen, hat JPL dem UAVSAR-Pod ein Trägheitsnavigationssystem gegeben, das in Verbindung mit seinem Echtzeit-GPS-Eingang Positionsfixierungen mit einer Genauigkeit von 10 bis 20 Zentimetern erzeugt.

Die 19 Testflüge, die die NASA Dryden bisher mit der PPA-ausgerüsteten Gulfstream III / UAVSAR-Kombination durchgeführt hat, haben bewiesen, dass mehr als 90 Prozent der Zeit das Flugzeug genau die gleiche Ebene, Großkreisflugbahn innerhalb von 15 Fuß wiederholen kann Radius. Effektiv folgt er einer Röhre mit 10 Metern Durchmesser am Himmel.

"Das war unsere Anforderung", sagte Lee. Die "Konturdiagramme", die Dryden von der genauen Position des Flugzeugs während jedes Wiederholungsdurchlaufs entwickelt hat, zeigen jedoch, dass der Gulfstream III 20 bis 30 Prozent der Zeit in einem Abstand von 1 m von der Mitte seiner Flugbahn in der vorherigen liegt bestehen.

Schnellreaktionsflug benötigt

NASA Dryden und JPL werden weitere 140 Flugstunden fliegen, bevor die UAVSAR-Flugerprobung Ende August 2008 abgeschlossen sein wird. Aber Hensley sagte, dass die Kapsel auf absehbare Zeit auf dem NASA Gulfstream III bleiben wird.

Der Grund dafür ist, dass das Erhalten einer FAA-Erlaubnis für ein UAV, um in einem zivilen Luftraum der USA zu arbeiten, normalerweise das Einreichen eines Flugplans 90 Tage im Voraus erfordert.Das Fliegen der bemannten Gulfstream III erfordert keine solche Benachrichtigung.

"Wenn es ein Erdbeben gibt, wollen wir schnell in der Luft sein", sagte Hensley. Die 90-Tage UAV Advance-Einreichung "kann sich ändern, aber im Moment ist die Logistik in der NAS (US National Airspace System) einfacher mit einem konventionellen Flugzeug."

Satelliten bieten normalerweise geeignetere Halterungen für SAR-Sensoren als Flugzeuge, da sie von Luftbewegungen nicht beeinflusst werden und ihre Umlaufbahnen viel navigierbarer sind als Flugzeugflugbahnen. SAR-Satelliten fliegen jedoch nur einmal alle 24 bis 45 Tage über dieselbe Stelle.

"Die Prozesse, die wir beobachten, passieren zu Zeitpunkten weniger als 30 Tage", sagte Hensley. Wenn wir UAVSAR in einem Flugzeug montieren, "können wir die Wiederholungszeit von Stunden bis Jahren kontrollieren".