Kontrola postawy

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 .

Definicja

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).

Cel

Kontrola postawy spełnia dwie podstawowe funkcje:

Pojazd kosmiczny rzeczywiście musi być stale zdolny do ustawiania swoich paneli słonecznych w kierunku Słońca , aby w razie potrzeby naładować swoje akumulatory. Jeśli poziom akumulatorów spadnie poniżej pewnego progu, stają się bezużyteczne, a pozbawiony energii satelita jest niczym innym jak bezwładną masą niezdolną do wykonania swojej misji;Ze względu na ogólnie dużą odległość między satelitą a ziemią, musi być w stanie bardzo precyzyjnie skierować swój ładunek (antena, teleskop itp.) Na określone obszary geograficzne. Na przykład dla satelity telekomunikacyjnego poruszającego się po około 36 000  km błąd wskazania wynoszący 0,1 ° odpowiada błędowi uziemienia wynoszącemu 63  km .

System kontroli położenia ( ACS ) zapewnia:

Oprócz kontrolowania orientacji, SCA jest wymagany do orientowania wyjmowanych elementów (paneli słonecznych, platformy instrumentów itp.).

Kontrola położenia sztucznych satelitów

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 ).

Zasada działania i reakcji

Aby obrócić satelitę wokół osi, stosuje się zasadę akcja-reakcja , w dwóch możliwych formach.

Inny system, zwany siłownikiem żyroskopowym , również mieści się w wewnętrznej klasyfikacji satelitów typu akcja-reakcja. Jego bardziej złożona zasada opiera się na działaniu żyroskopowym . W szczególności ma tę zaletę, że jest bardziej dynamiczny, a tym samym zapewnia większą zwinność satelicie.

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.

Architektura systemu sterowania położeniem i orbitą

Przegląd

System kontroli położenia i orbity (SCAO) jest podzielony na trzy główne podzespoły:

Czujniki

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 optyczne

Pojedynczy 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 gwiazd

Jest 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 uziemienia

Czujnik 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 słonecznej

Sun , 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 Żyroskop

Istnieją 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.

Akcelerometr

Akcelerometr 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 indukcyjny

Indukcji 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 fluxgate

Fluxgate 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 GPS

Satelity znajdujące się na niskiej orbicie okołoziemskiej mogą wykorzystywać informacje z systemów pozycjonowania satelitarnego ( GPS , GLONASS , EGNOS itp.) W celu określenia swojej pozycji.

Interferometr radiowy

Interferometryczny 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.

Uwagi i odniesienia

Bibliografia

  1. (w) Vincent Francois-Lavet , Attitude Determination and Control Systems for the OUFTI nano-satellites ,31 maja 2010( przeczytaj online [PDF] ).

Bibliografia

  • Philippe Couillard, wyrzutnie i satelity , Tuluza, Cépaduès,2005, 246  s. ( ISBN  2-85428-662-6 )
  • (en) Graham Swinerd, Jak leci statek kosmiczny: lot kosmiczny bez wzorów , Springer Praxis,2008, 272  pkt. ( ISBN  978-0-387-76571-6 )
  • (pl) Michel van Pelt, Space Invaders: how robotics spacers explore the Solar System , Praxis,2007, 312  pkt. ( ISBN  978-0-387-33232-1 )
  • (en) Michael D. Griffin and James R. French, Space Vehicle Design , Reston (Va), seria AIAA Education,2004, 2 II  wyd. , 665  str. ( ISBN  1-56347-539-1 )

Zobacz też

Powiązane artykuły