NASA utvecklar Super-Accurate Nav System för vetenskapligt plan

NASA har utvecklat ett sätt för ett flygplan att upprepa samma nivåflygbana överallt i världen, efter något tidsintervall, till en konstant positionsnoggrannhet inom 15 meter (5 meter) i vilken riktning som helst.

Utveckling av den mycket exakta navigeringstekniken behövdes för att ge NASAs Dryden Flight Research Center i Edwards, Kalifornien, möjlighet att använda sin C-20A Gulfstream III som en testbädd för en ny kompaktbildningsradarpod som använder en teknik som kallas repetera interferometri för att producera mycket detaljerade mikrovågsbilder av jordens yta.

Radarbågen, utvecklad av NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Pasadena, Kalifornien, innehåller en L-Band syntetisk bländarradar som använder mikrovågor i 1,2 gigahertz-området för att detektera och mäta små deformationer i jordens yta som är av intresse för vetenskapliga forskare. Sådana mätningar inkluderar rörelser av glaciärer, jordbävningsfellinjer, jordskred och expansion av vulkaner.

JPL har konstruerat den 10 fots långa biten så att den kan monteras på en rad olika flygplan. Dessa kommer att innefatta obemannade flygplan som kan löpa under långa perioder över intressanta områden eller kan flyga särskilt farliga uppdrag - säg över vulkanernas kupoler som förväntas spränga i omedelbar utsträckning. Därför har JPL kallat projektet Unmanned Aerial Vehicle Synthetic Aperture Radar (UAVSAR).

Som det kan förväntas utnyttjar den nya navigeringstekniken - utvecklad av NASA Dryden i samarbete med JPL - GPS-signaler (Global Positioning System).

Positionsnoggrannhet inom 1 fot

Men där Wide Area Augmentation System nu går in i USA för civil luftfartsnavigation, ger positionskorrigeringsvektorer noggrannhet inom 30 fot, behöver UAVSAR korrectionala vektorer 30 till 50 gånger mer exakta än detta så att radaren kan styras elektroniskt till behåll den nödvändiga millimeterskalaupplösningen.

Ett annat problem med kommersiella GPS-system är att NavCon-satelliterna som de använder endast ger signaldäckning till 75 graders bredd i både norra och sydliga halvklotet, säger Scott Hensley, chefforskare för UAVSAR-programmet.

Men UAVSAR kommer att användas för att mäta glaciärernas rörelser i Grönland och Antarktis, belägna vid breddgrader över 75 grader. Så JPL har utvecklat ett sätt att skicka realtids GPS-korrigeringsvektorer via Iridium-satellittelefonkretsar, vilket möjliggör täckning över hela världen.

För att uppnå den nödvändiga navigeringsnoggrannheten matas den realtids GPS-signal som UAVSAR-podgen mottar till Gulfstream IIIs flyghanteringsdatorer.

Platform Precision Autopilot

Där, i ett nytt system som utvecklats av NASA Dryden och kallas Platform Precision Autopilot (PPA), kombineras det med 40 gånger en sekunds ingångar från flygplanets lasergyro-driven tröghetsnavigeringsenhet (INU) för att producera mycket exakt position och vägledningsinformation, förklarade James Lee, NASAs huvudforskare för plattformen Precision Autopilot.

När de matas via flygplanets navigeringsmottagare till sin flygledare, visar de kombinerade GPS- och INU-signalerna positions- och väginformation som instrumentlarmsystem (ILS), som är bekant för instrumentlärda piloter. ILS-displayen visar en cross-track lokaliseringsvektor för att ge sidostyrning och en glidskyttsvektor för att ge vertikal vägledning.

Genom att ha PPA tillhandahåller ILS-signaler genom flygledaren har NASA Dryden säkerställt att Gulfstream IIIs ändrade navigationssystem är FAA-certifierat som säkert för flygning.

Dessutom sa Lee, Drydens piloter vinkelvinkel-, vinkelvinkel- och gungvinkelgränser programmerade i Gulfstream IIIs flygledare. "Så även om vårt (PPA) system är avstängt, vet vi vad flygplanet kommer att göra" vad gäller dess hanteringsegenskaper, sa han.

UAVSARs elektroniska styrning

För att göra saker enklare valde JPL att ha UAVSARs radarantenn på 1,5 meter-mot-0,5 meter styrd elektroniskt - det vill säga en mikroprocessor ändrar sin radarsignal för att kompensera för förändringar i det bärande flygplanets inställning - snarare än mekaniskt, sade Hensley.

Om JPL valt att styra antennen mekaniskt, skulle styrsystemet behöva modifieras varje gång UAVSAR-pallen var monterad på ett annat flygplan. Men med elektronisk styrning kan bägaren överföras från flygplan till flygplan utan ändringar.

För att säkerställa noggrannheten hos det elektroniska styrsystemet och radarens bildupplösning har JPL också givit UAVSAR-podmen ett inertiallägessystem som fungerar i kombination med sin realtids GPS-ingång för att producera positionsfixar exakt inom 10-20 centimeter.

De 19 testflygningarna som NASA Dryden har utfört hittills med den PPA-utrustade Gulfstream III / UAVSAR-kombinationen har visat att mer än 90 procent av tiden flygplanet kan repetera exakt samma nivå, storcirkelvägen inom en 15 fot radie. Effektivt följer det ett rör med 10 meter diameter på himlen.

"Det var vårt krav", sa Lee. De "konturplaner" som Dryden har utvecklat av flygplanets exakta position under varje repetitionspass visar dock att 20-30 procent av tiden Gulfstream III stannar inom 3 fot (1 meter) av dess flygväg i föregående passera.

Snabbreaktion behövs

NASA Dryden och JPL kommer att genomföra ytterligare 140 timmars flygning före UAVSAR-flygprovning i slutet av augusti 2008. Men Hensley sa att podningen kommer att förbli på NASA Gulfstream III under överskådlig framtid.

Anledningen till detta är att få FAA-tillstånd för att en UAV ska fungera i det amerikanska civila luftrummet normalt kräver att en flygplan planeras 90 dagar i förväg.Att flyga den bemannade Gulfstream III kräver inget sådant meddelande.

"Om det finns en jordbävning, vill vi vara uppe i luften snabbt," sade Hensley. Den 90-dagars UAV-förhandsanmälningsperioden "kan ändras, men just nu är logistiken i NAS (US National Airspace System) enklare med ett konventionellt flygplan."

Satelliter tillhandahåller vanligtvis mer lämpliga fästen för SAR-sensorer än flygplan, eftersom de inte påverkas av luftrörelsen och deras banor är mycket mer förutsägbara navigationsmässigt än flygplansflygbanor. SAR-satelliterna flyter dock bara över samma plats en gång var 24-45 dagar.

"Processerna som vi tittar på händer vid tidsramar mindre än 30 dagar", säger Hensley. Genom att montera UAVSAR på ett flygplan "kan vi styra upprepad tid från timmar till år."