System kontroli położenia jest składnikiem statku kosmicznego ( sztucznego satelity , statku kosmicznego , stacji kosmicznej lub wyrzutni ), którego rolą jest kontrolowanie położenia statku kosmicznego (to znaczy jego orientacji w przestrzeni ), instrumentów i paneli słonecznych w celu spełnienia potrzeby misji. System kontroli położenia składa się z kilku czujników (do określenia położenia), siłowników (do zmiany orientacji) i oprogramowania (do sterowania zespołem). Stosowane są różne technologie. Na sztucznym satelicie kontrola położenia jest częścią platformy .
System kontroli orientacji to całe wyposażenie i algorytmy zaimplementowane niezależnie na statku kosmicznym : sztucznym satelicie , statku kosmicznym , stacji kosmicznej lub statku załogowym, aby umożliwić precyzyjne sterowanie jego położeniem, tj. Jego orientacją w przestrzeni wokół środka ciężkości .
Sterowanie położeniem różni się od kontroli orbity, która polega na kontrolowaniu położenia (i jego pochodnych) środka ciężkości statku kosmicznego w przestrzeni. Jednak kontrola położenia i orbity jest często ściśle powiązana, a sztuczny satelita jest zwykle wyposażony w „ system kontroli położenia i orbity ” (SCAO).
Kontrola postawy, poprzez różnorodność i złożoność dyscyplin inżynierskich, które realizuje, stała się odrębną dyscypliną, uprawianą przez kilku specjalistów pracujących z głównymi graczami sektora kosmicznego lub w kręgach akademickich. Dziedzina ta obejmuje mechanikę, fizykę, automatykę i matematykę (głównie algebrę).
Kontrola postawy spełnia dwie podstawowe funkcje:
System kontroli położenia ( ACS ) zapewnia:
Oprócz kontrolowania orientacji, SCA jest wymagany do orientowania wyjmowanych elementów (paneli słonecznych, platformy instrumentów itp.).
Istnieją dwie kategorie kontroli położenia: kontrola aktywna i kontrola pasywna. Sterowanie pasywne ma zalety polegające na tym, że jest solidne, niedrogie, proste i nie zużywa energii. Ma to jednak ograniczoną dokładność wskazywania i nie pozwala na uzyskanie wszystkich pozycji. Dlatego aktywne wskazywanie jest używane w większości dużych satelitów.
Jeśli chodzi o sterowanie pasywne, istnieją dwa rodzaje sterowania pasywnego: stabilizacja gradientu grawitacyjnego i stabilizacja magnetyczna. Gradient grawitacyjny wykorzystuje asymetrię satelity i pole grawitacyjne, podczas gdy stabilizacja magnetyczna wykorzystuje magnes do ustawienia satelity w polu magnetycznym Ziemi.
Jeśli chodzi o kontrolę aktywną, istnieją dwie główne metody kontroli:
Istnieją również pojazdy o podwójnym spinie, które mieszają dwie ostatnie koncepcje, które składają się z ciała ustabilizowanego w położeniu i innego obróconego (jak sonda kosmiczna Galileo ).
Aby obrócić satelitę wokół osi, stosuje się zasadę akcja-reakcja , w dwóch możliwych formach.
Można również wspomnieć o sprzęgaczach magnetycznych , które wykorzystują ziemskie pole magnetyczne do przykładania zewnętrznego momentu obrotowego do satelity, a tym samym modyfikują globalny moment pędu satelity.
System kontroli położenia i orbity (SCAO) jest podzielony na trzy główne podzespoły:
Położenie pojazdu kosmicznego (przywrócenie orbity) jest generalnie określane na podstawie pomiarów dokonywanych przez stacje naziemne . Dlatego większość czujników znajdujących się w SCAO jest wykorzystywana do pomiaru położenia.
Czujniki optycznePojedynczy punkt na sferze niebieskiej (gwiazda, Słońce) nie wystarczy, aby określić położenie pojazdu kosmicznego. Rzeczywiście, punkt na sferze niebieskiej jest definiowany przez jego rektascensję i deklinację, podczas gdy wymaga trzech niezależnych kątów (precesja, nutacja, właściwy obrót), aby jednoznacznie określić położenie pojazdu kosmicznego.
Łapacz gwiazdJest to aparat (najczęściej przetwornik obrazu CCD , ale w przyszłości system Advanced Photo System (en) ) (APS), który wykonuje zdjęcia obszaru nieba. Analizując zobrazowane pole gwiazd i korzystając z pokładowego katalogu gwiazd, można określić położenie pojazdu kosmicznego. Można go również używać w prostszy sposób do śledzenia ruchu gwiazd w polu w celu określenia zmiany położenia: ten tryb działania jest zwykle używany do zatrzymania obrotu statku kosmicznego względem bezwładnościowego układu odniesienia (w rzeczywistości połączonego z gwiazdy) ; czujniki te umożliwiają uzyskanie najlepszej precyzji w pomiarach położenia. W przypadku teleskopów kosmicznych instrument jest często używany jako urządzenie śledzące gwiazdy. Rzeczywiście, rozdzielczość kamery jest, ze względu na dyfrakcję (nie ma turbulencji atmosferycznych w przestrzeni), zasadniczo powiązaną ze średnicą urządzenia optycznego, które zbiera światło (zwierciadło lub soczewka pierwotna), wykorzystanie głównego instrumentu jako czujnik położenia umożliwia osiągnięcie dokładności poniżej sekundy łuku , często niezbędnej do obserwacji.
Czujnik uziemieniaCzujnik podczerwieni z mechanizmem skanowania wiązki (lub zamontowany na obracającym się statku kosmicznym), który jest czuły na emisję podczerwieni z dysku ziemskiego; może wykryć ziemski horyzont z dokładnością do kilku minut łuku .
Porywacz energii słonecznejSun , z jego średnicy pół stopnia od Ziemi , jest odniesienie prosta postawa; niektóre kolektory słoneczne określają położenie Słońca z rozdzielczością lepszą niż minuta łuku, inne po prostu wskazują jego obecność w polu widzenia.
Czujniki bezwładnościowe ŻyroskopIstnieją różne technologie żyrometrów : żyrometr mechaniczny jedno- lub dwuosiowy, żyrometr laserowy, żyrometr światłowodowy (laserowy), żyrometr rezonansowy. Wszystkie te instrumenty pozwalają na określenie zmienności położenia w dowolnym momencie (składowe prędkości wektora obrotu w układzie bezwładnościowym wzdłuż osi (osi) żyrometru); pomiar musi być zintegrowany, aby uzyskać położenie statku kosmicznego. Tak więc niepewność co do położenia na wyjściu żyrometru pogarsza się z czasem.
AkcelerometrAkcelerometr umożliwia określenie przyspieszenia pojazdu kosmicznego z powodu działań kontaktowych (to znaczy bez efektów grawitacyjnych). Całkując raz, możemy znaleźć prędkość, całkując dwukrotnie pozycję.
Inne czujniki Magnetometr indukcyjnyIndukcji magnetometru (lub fluxmeter ) jest instrumentem, który mierzy zmiany z czasem strumienia pola magnetycznego, za pośrednictwem stałej powierzchni w stosunku do pojazdu kosmicznego. Jest stosowany głównie w obracających się pojazdach kosmicznych na niskiej orbicie okołoziemskiej .
Magnetometr fluxgateFluxgate magnetometru jest instrumentem, który mierzy występ pola magnetycznego w pobliżu sondy na osi. Korzystając z mapy pola magnetycznego Ziemi i trzech magnetometrów (w teorii wystarczą dwa, jeśli znamy dokładnie moduł pola magnetycznego Ziemi w danym punkcie i czasie), znając położenie na orbicie, możemy uzyskać ( niepełne) informacje o położeniu statku kosmicznego. Przyrządy te są wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez wyposażenie pojazdu kosmicznego (w szczególności magnetyczne siłowniki momentu obrotowego) i dlatego często znajdują się daleko od urządzeń zakłócających (na przykład poprzez umieszczenie ich na końcu słupa przymocowanego do korpusu pojazdu kosmicznego). Magnetometry w SCAO mogą być również używane do dokładnego określania pola magnetycznego Ziemi w celu obliczenia napędu na magnetycznych siłownikach momentowych ( sprzężeniach magnetycznych ). Ponieważ natężenie pola magnetycznego gwałtownie spada wraz z wysokością, użycie magnetometrów do określania położenia jest zarezerwowane dla satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej.
Odbiornik GPSSatelity znajdujące się na niskiej orbicie okołoziemskiej mogą wykorzystywać informacje z systemów pozycjonowania satelitarnego ( GPS , GLONASS , EGNOS itp.) W celu określenia swojej pozycji.
Interferometr radiowyInterferometryczny pomiar przesunięcia fazowego pomiędzy sygnałami kilku odbiorników (anten umieszczonych na statku kosmicznym) nasłuchujących fali radiowej (emitowanej np. Przez satelitę GPS) pozwala uzyskać informacje o położeniu pojazdu kosmicznego, jeśli kierunek zdarzenia jest znany w układzie odniesienia.