I sistemi di guida e navigazione (1)

Il PNGCS

Come in ogni altro viaggio, anche in quello dalla Terra alla Luna era fondamentale sapere rispondere ad una domanda: Dove sono? E inoltre, trattandosi di un veicolo in movimento, anche a questa: Dove sto andando?

Nel caso dell’Apollo erano due i metodi possibili per rispondere a queste domande.

Il primo era utilizzando i dati della tracking station della NASA Deep Space Network: le misurazioni erano molto accurate e venivano processate tramite algoritmi complessi che utilizzavano la potenza di calcolo dei mainframe del Mission Control.

Il secondo metodo sfruttava invece il Primary Guidance, Navigation and Control System (PGNCS, gli astronauti lo pronunciavano ‘pings’). Si trattava di un sistema di guida inerziale indipendente, i cui componenti si trovavano tutti a bordo dello stack Apollo; entrambi il CM e il LM erano dotati di questo sistema. L’accuratezza delle misurazioni effettuate col PGNCS non era pari a quelle effettuate dalle tracking station, ma era sufficiente ai fini della riuscita delle missioni. Il suo utilizzo fondamentale era quello di fungere da sistema di navigazione primario durante le manovre con accensione dei motori (powered flight) e in caso di assenza di comunicazioni con la Terra, pianificate (ad esempio in conseguenza del passaggio dietro alla Luna) o meno (problemi ai sistemi di comunicazione). Inoltre permetteva una verifica della correttezza delle misurazioni fatte da Terra.

Charles Stark Draper accanto
ad un prototipo del PGNCS

La progettazione del PGNCS venne affidata al MIT, che già aveva esperienza nel campo maturata fornendo alle Forze Armate i sistemi di guida di sottomarini, aerei e dei missili Polaris. A sottolineare l’importanza attribuita a questo sistema, va ricordato che il primo contratto sottoscritto dalla NASA per l’Apollo fu proprio quello con l’MIT. In particolare si occupò del lavoro il MIT Instrumentation Laboratory, sotto la direzione del suo fondatore Charles Stark Draper, uno scienziato ed ingegnere, riconosciuto come ‘il padre dei sistemi di navigazione inerziali’. La società che ricevette l’appalto per la costruzione fu la Delco Division della General Motors.

Ma prima di proseguire con la descrizione del PGNCS, cos’è esattamente un ‘sistema di guida inerziale’?
Partiamo dalla definizione di sistema di navigazione inerziale (INS, Inertial Navigation System) che è un ausilio alla navigazione che utilizza un computer, dei sensori di moto (accelerometri) e dei sensori di rotazione (giroscopi) per determinare la posizione, l’orientamento e la velocità (direzione, verso e modulo) di un veicolo senza la necessità di riferimenti esterni. Il sistema è inizialmente fornito della sua velocità e posizione da un’altra sorgente (nel caso dell’Apollo la posizione determinata da terra tramite la Deep Network Space), e dopo di ciò calcola la sua posizione aggiornata e velocità integrando le informazioni che ha ricevuto dai sensori di moto. La posizione viene definita all’interno di un sistema di riferimento inerziale, ovvero un sistema di coordinate in cui è valido il primo principio della dinamica. Con un’accettabile approssimazione è considerato inerziale il sistema solidale con il Sole e le stelle (il cosiddetto sistema delle stelle fisse), che infatti venne utilizzato nelle missioni Apollo per le fasi di volo translunare.
I giroscopi misurano la velocità angolare del veicolo all’interno del sistema di riferimento inerziale. Utilizzando l’orientamento iniziale e integrando le misure effettuate viene determinato l’orientamento corrente. Discorso simile per gli accelerometri: misurano l’accelerazione lineare del veicolo all’interno del sistema di riferimento inerziale ma nelle direzioni relative al sistema in movimento in cui vengono misurate (dato che gli accelerometri sono fissati al sistema e ruotano con esso, però non sono consapevoli del proprio orientamento).
Un sistema di guida inerziale (come il PGNCS) utilizza i dati forniti dall’INS per costituire un sistema completo di controllo che, elencando alcune delle sue capacità, può essere usato per manovrare il veicolo, controllare il suo orientamento ed effettuare i calcoli necessari per le manovre in orbita o durante il volo translunare utilizzando i motori disponibili come l’SPS e gli RCS.

Quindi le varie parti del PGNCS rispondevano alle domande che ci eravamo posti all’inizio e aggiungevano anche la risposta alla domanda ‘Come faccio ad arrivare alla mia destinazione?’

Il diagramma a blocchi
del PNGCS

Il grafico qui accanto mostra le relazioni tra le varie parti del PGNCS.
Navigazione: “Dove sono?”

  • Inputs: misurazione dei sensori

  • Outputs: vettore di stato del veicolo (posizione & velocità ad un preciso istante)

Guida: “Dove sto andando?”

  • Inputs: vettore di stato

  • Outputs: cambiamenti richiesti alla velotità e/o all’orientamento del veicolo (nelle fasi di powered flight)

Controllo: “Come arrivo a destinazione?”

  • Inputs: cambiamenti richiesti alla velotità e/o all’orientamento del veicolo

  • Outputs: comandi per gli attuatori dei motori (Reaction Control System, motori e loro orientamento, etc)

Il PGNCS era costituito da tre sottosistemi su ciascuna capsula (CM ed LM), progettati per operare insieme:

  • Computer Subsystem (CSS) – fondamentalmente parliamo dell’Apollo Guidance Computer (AGC) e del suo software

  • Inertial Subsystem (ISS) – l’elemento centrale è la Inertial Measurement Unit (IMU), il dispositivo elettronico che costituisce l’INS del PGNCS

  • Optical Subsystem (OSS) – in pratica un sestante

Il sistema comprendeva anche i resolver che convertivano le informazioni della IMU in segnali utilizzabili dal resto del PGNCS (una specie di convertitore analogico/digitale). Una struttura metallica chiamata Navigation Base (o Navbase) manteneva rigidamente connessi ed allineati l’OSS e la IMU (nel LM anche il rendezvous radar).

Dato che una delle caratteristiche di un INS è quello di subire un degrado nel corso del tempo delle sue misurazioni, gli astronauti ricevevano periodicamente una REFSMMAT aggiornata da inserire nell’AGC e basata sui dati disponibili a terra (che ricordo erano più precisi). REFSMMAT sta per “Reference to Stable Member Matrix” e dietro questo lungo acronimo si nasconde semplicemente una rappresentazione numerica di uno specifico orientamento nel sistema di riferimento inerziale utilizzato per riallineare la IMU.

Nei prossimi post andrò ad esaminare i vari componenti del PGNCS in maggiore dettaglio.

2 Risposte to “I sistemi di guida e navigazione (1)”

  1. Vittorio Says:

    Ho letto su un Flight Journal che anche il “Barbeque Mode” era un REFSMMAT particolare. Peccato che nel Flight Journal non fosse spiegato l’acronimo, per fortuna ci sei tu!😀

  2. raghnor Says:

    Esatto. In sostanza c’era una REFSMMAT per ogni fase della missione. Se non ricordo male, il massimo raggiunto è stato di 8 REFSMMAT per le missioni di Tipo J (Apollo 15,16 e 17). Ma nelle prossime settimane dovrei avere l’occasione di approfondire🙂

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