La responsabilidad principal del equipo de navegación es mantener
la nave en la trayectoria prevista durante la duración de la misión.En la
fase de desarrollo el equipo ayudó en el diseño de la trayectoria
interplanetaria, asumiendo las
restricciones tales como el combustible de los cohetes propulsores, y los
requerimientos de protección planetaria. El equipo de navegación ayudo a la
misión con el aporte de la trayectoria de la nave y con datos orbitales para
Marte y sus satélites. Este
tipo de requerimientos no son en absoluto sencillos debido al gran número
de parámetros que se siguen. En vuelo, el equipo predecía los valores de la
trayectoria basándose en muestras pasadas, siguiendo una especie de filtro
adaptado, ( con una
realimentación). Basado en estas soluciones, el equipo genera las Maniobras
de Correción de Trayectorias, TCMs necesarias para
mantener a la nave en la trayectoria deseada. Para la misión Pathfinder el
equipo de navegación también proporcionó la información imprescindible para
el proceso de Entrada, Descenso y aterrizaje,( EDL ).
Las responsabilidades prioritarias quedan pues del siguiente modo:
El sistema de Navegación se basa en avanzadas técnicas de
estimación y filtrado de las señales tomadas desde es DSN y la propia nave,
para la determinación de la trayectoria.
Un modelo de las fuerzas que actúan sobre la nave, tales como la atracción
gravitatoria por los planetas y el sol, es desarrollada desde principios
básicos de la física.
Las muestras de las señales provienen de la propia nave espacial durante el
transcurso de su vuelo, y estos datos son comparados con los valores
previstos por el modelo desarrollado en tierra.
Se consigue así lo que se denomina un filtrado adaptativo, en concreto
un filtro predictor, que evalúa los valores de las diversas variables del
vuelo en instantes venideros. Esta es una técnica
nacida de las avanzadas teorías del tratamiento digital de la señal.
Los dos tipos de datos básicos que maneja el equipo de
navegación son:
doppler y ranging . Cada tipo de dato
proporciona un diferente tipo de información. La exactitud de estos valores
esta, hoy en dia, en unos valores mas que aceptables.
Doppler: el efecto doppler es un camino para medir la velocidad a la cual un objeto se desplaza en los límites del haz de la antena del radar utilizado. En términos sencillos, una antena situada en uno de los tres puntos estratégicos del DSN, ( Madrid, California, Austrlia ) , envía señales de radio hacía la nave la cual se refleja en mayor o menor medida dependiendo de la potencia, la ganancia de las antenas, la sección recta-radar y demás parámetros. Si la nave se está acercando a la tierra notaremos que el frente de ondas recibido llegará algo más compactado que cuando lo mandamos; en cambio si la nave se alejase, notaríamos el efecto contrario. Además, y aquí se encuentra la clave del asunto, esta compactación o dispersión de los picos de la señal enviada depende de la velocidad de aproximación o alejamiento relativo a la velocidad de la tierra en su vagar por el universo.
Ranging: utilizamos en este caso el hecho de que la luz posee una velocidad finita y fija. De ese modo, al medir el lapso de tiempo que transcurre entre el momento en que enviamos la señal hacia la nave y el instante en que nos llega, conocemos la distancia entre nuestra antena emisora y la nave espacial. Esto forma parte de la teoría básica de los sistemas Radar de seguimiento de blancos. En este caso no es necesario enviar un pulso de RF a la nave ya que no vamos a medir la variacion de la distancia entre los picos, podemos hacer uso de los llamados radares pulsados.
Al igual que en pasadas misiones interplanetarias, la Pathfinder utiliza antenas en los tres puestos del DSN para obtener los datos de doppler y ranging, al mismo tiempo que los datos de telemetría y teleguiado. La mayoría de los muestreos se realizan con las antenas de 34 metros que se encuentran en cada uno de los puestos. Ocasionalmente, seran necesarias antenas de hasta 70 metros. La periodicidad de contacto y seguimiento de la nave fueron variando a lo largo de los siete meses que duró el viaje. De esa forma tenemos:
A pesar de todos los esfuerzos enfocados en el desarrollo de un perfecto modelo de trayectoria, la nave no siguió el plan de vuelo previsto. Es por esta razon por la que se creo un equipo de TCM. Ligeros errores en el camino de vuelo pueden convertirse en grandes desviaciones en el momento de llegar a Marte. Por esto la nave recibió diversos comandos TCM, (un total de cuatro), que le obligaban a encender sus motores, para cambiar la velocidad en ciertos puntos, ( esto comprende un cambio de magnitud y de dirección ).
En un principio se dispuso para el vuelo de la nave un total de cinco maniobras de correcion de trayectoria, pero la última no fue necesaria. Las primeras dos, fueron programadas en los dos primeros meses del vuelo, mientras la nave se encontraba relativamente cerca a la tierra. Las otras dos maniobras se predispusieron en fechas mas cercanas al momento de la llegada, (prevista para el cuatro de Julio). La tabla muestra un resumen de las maniobras de correccion previstas sobre el vuelo de la Pathfinder.
| Maniobra | Tiempo | Fecha | Incremento vel. | Comentarios |
|---|---|---|---|---|
| TCM1 | 37 días después del Lanzamiento del Pathfinder al planeta rojo. | 10 Enero | 33.3 m/seg. | Corrigió los errores del lanzamiento. |
| TCM2 | 60 días despues del Lanzamiento del Pathfinder al planeta rojo. | 4 Febrero | 2.08 m/seg. | Correcciones de TCM1. |
| TCM3 | 60 días antes de la llegada del pathfinder al planeta rojo. | 7 Mayo | 0.432 m/seg. | Objetivo deseado: punto de entrada en la atmosfera del planeta rojo. |
| TCM4 | 10 días antes de la llegada de la pathfinder al planeta rojo. | 24 Junio | 0.138 m/seg. | Corregir los errores de TCM3. |
| De 12 a 6 horas antes de la llegada del pathfinder a Marte. | 4 Julio | de 0.2 a 2m/seg. | Corregir cualquier error. |
La primer maniobra fue prevista en un primer momento para el 4 de enero del 97; pero fue postpuesta debido a cambios surgidos en el software de control de vuelo. Estos cambios se realizaron en la manana del miercoloes 8 de enero del 97. La maniobra se hizo operativa el 10 de enero. Fue llevada a cabo satisfactoriamente. Los motores se encendieron durante una hora y media aproximadamente, como estaba previsto, para proporcionar el cambio de velocidad necesario. Después de apagar los motores, se reorientó la Pathfinder para que el eje del spin apuntara a la tierra.
La segunda maniobra fue programada para seguir a la primera, en un intento de corregir los posibles errores. Por tanto su cometido era el mismo que el de la primera maniobra. A esta segunda operación se le da el nombre de estadistica. En la TCM1, la nave sufrió un giro en su eje de spin para que este apuntase en la dirección del vector velocidad adecuado; y los motores fueron encendidos para realizar una fuerza en esa dirección unicamente. Esto es lo que los ingenieros aeronauticos llaman un encendido axial. La nave también puede encender sus motores para que la fuerza se lleve a cabo en un eje normal al eje de spin; esto es lo que se llama un encendido lateral. Para el TCM2, el vector de velocidad requerido poseía las dos componentes. De este modo se tuvo que realizar un doble movimiento. Las direcciones y las magnitudes de ambas componentes fueron elegidas para que el vector suma diese un vector incremento de velocidad igual al necesitado por la nave para seguir en la trayectoria adecuada. Las dos partes de la maniobra fueron llevadas a cabo con gran éxito el día tres de Febrero del 97. El encendido axial fue realizado a las 23:00, y se prolongó durante 297 segundos. El encendido lateral se prolongó durante dos horas, entrando así en el día 4 de Febrero. Ambos motores se encendieron en pulsos de treinta segundos de duración.
Después de las dos primeras maniobras, todavía la Pathfinder no tenía como objetivo el punto de entrada concreto en la atmósfera de Marte. De este modo este segundo bloque de maniobras ,que supondrían tanto TCM3 como TCM4, tenía como objetivo enfocar la entrada de la nave en el planeta. La dinámica de la entrada impone severas restricciones en el punto exacto de entrada en la atmósfera. Estas condiciones toman forma en el llamado corredor de entrada. Un estrecho pasillo inclinado que atraviesa toda la atmosfera del planeta, y en el cual la nave debe mantener sus condiciones de velocidad. Los límites del corredor representan regiones donde la nave sufriría hasta el punto de la desintegración. Si la nave entrase más inclinada de lo que el pasillo determinase, el excesivo calor derretiría el escudo térmico y consecuentemente la nave. En cambio si la Pathfinder entrase demasiado plana a la atmósfera, saldría rebotada como una pelota, perdiendo por completo la orientación y vagando por el espacio hasta ser engullida por alguna fuerza gravitatoria.
La TCM3 se desarrolló el miercoles 7 de Mayo del 97 a las 00:00. Todos los eventos de la maniobra se ejecutaron con perfección. La tercera maniobra necesitó de las dos componentes comentadas en el punto anterior.
La cuarta maniobra se ejecutó a la perfección el dia 24 de Junio cerca de las 17:00. Los motores se encendieron en una secuencia lateral-axial; seguida de una reorientación de la nave para mantener a las antenas enfocadas hacia la Tierra.
Hemos podido incluir en esta pagina una secuencia del vuelo llevado a cabo tanto por la Pathfinder, (linea verde), como por el satélite orbital Sourvellor, (linea roja); recordemos aquí, que ambos iban instalados en la cofia del cohete DeltaII que los alejó de la tierra. Se puede observar con nitidez los giros y los cambios de dirección sufridos por ambos vehículos espaciales. El vuelo del satélite tuvo otras directrices, que se comentan adecuadamente en otra parte de la página.
Las últimas 48 horas antes de la entrada en la atmósfera fueron de frenética actividad para el equipo de navegación. El equipo estaba constantemente generando posibles soluciones para la trayectoria de descenso. Es decir coordinaba todos los parámetros para determinar perfectamente el pasillo de entrada. Toda esta información era necesaria para conocer si era necesaria o no una nueva maniobra de corrección de trayectoria: TCM5. Al tiempo que se conocía con exactitud el instante del despliegue del paracaidas en la entrada.
También era necesario conocer el lugar para el estacionamiento
de la
nave en el planeta rojo. La necesidad de una quinta maniobra se evaluo trece
horas
antes de la entrada. Finalmente se convino que no era necesaria tal maniobra.
Los pequeños errores no hacían rentable el elevado riesgo de ejecutar una
nueva
ignición en un punto tan cercano al planeta destino, (la cercanía de la Pathfinder
a Marte elevaba los efectos de la gravedad, por lo que todos los reajustes
de una quinta maniobra se hacían mucho más peligrosos que en el resto de las
maniobras de la misión). En este momento se evaluaban datos sin cesar mediante
dos programas software en el DSN. Por un lado el AEP, ( Atmosferic Entry
Program), desarrollado por el JPL, y por otro el software POST de la NASA en
Langley, (California), fueron usados para verificar todos los cálculos.
Todos estos conceptos se revisan de forma algo ams detallada en la pagina
EDL. Para acceder a ella pulse AQUI.
La información de las trayectorias de Marte y la Tierra utilizadas en el sistema de navegación, fueron tomadas del Grupo de Dinámica del Sistema Solar del JPL. Continuamente se tenía situada a la nave en su proceso de aproximación a Marte mediante la detección de los datos:
El tiempo de la misión estaba referenciado tanto a la hora UTC, (meridiano de Greenwich), como a la hora del pacífico, (PST/PDT), que era la hora en el centro JPL de Pasadena en California. En las tablas de datos también se marcaba el retraso sufrido por la señal en su viaje. Tenemos una gráfica que refleja este retraso en segundos, a lo largo de la misión, (OWLT, one-way ligth time).
| Fecha | Tiempo desde Lanz. | Dist. a Tierra | Vel. geocentrica | Distancia Recorrida | Vel. Heliocentrica | Dist.a Marte |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1997 APR 01 05:00:00 A.M. PDT | 118d 05:01:53.0 | 60956244.555Km | 13.055Km/seg | 25.835Km/seg | 54025510.962Km |
Es importante observar que la distancia recorrida por la nave en cualquier momento es muy superior a la distancia que la separa de la tierra. Esto se ve claramente en una de las tablas anteriores. Hemos de pensar que tanto la tierra como el resto de los planetas, y el sol mismo, se están moviendo continuamente.
En esta página hemos podido ver una introducción a los enormes problemas que supone dirigir una nave por el espacio hasta un punto determinado. Sí os surgen dudas sobre lo comentado, o queréis más información no dudeis en contactar con nosotros.
