Asenteen hallinta

Järjestelmä on asennonhallintalaitteita on komponenttina avaruusaluksen ( keinotekoinen satelliitti , avaruusaluksia , avaruusasema tai kantoraketti ), jonka tehtävänä on valvoa asenne avaruusaluksen (eli sen suunta avaruudessa ), välineet ja aurinkopaneelit täyttämään operaation tarpeisiin. Asennevalvontajärjestelmä koostuu useista antureista (sen sijainnin määrittämiseksi), toimilaitteista (suuntauksen muuttamiseksi) ja ohjelmistoista (kokoonpanon ohjaamiseksi). Eri tekniikoita käytetään. Keinotekoisella satelliitilla asennon hallinta on osa alustaa .

Määritelmä

Asennonvalvontajärjestelmällä tarkoitetaan kaikkia laitteita ja algoritmeja, jotka on toteutettu itsenäisesti avaruusaluksilla : keinotekoinen satelliitti , avaruusalus , avaruusasema tai miehitetty ajoneuvo, jotta se voi hallita tarkasti asemaansa, ts. '' Eli sen suuntausta avaruudessa painopisteensä ympärillä . .

Asennevalvonta erotetaan kiertoradan hallinnasta, joka koostuu avaruusaluksen painopisteen sijainnin (ja sen johdannaisten) ohjaamisesta avaruudessa. Asennon ja kiertoradan hallinta on kuitenkin usein läheisesti yhteydessä toisiinsa, ja keinotekoinen satelliitti on yleensä varustettu " asennon ja kiertoradan ohjausjärjestelmällä " (SCAO).

Asenteenhallinnasta sen toteuttamien tekniikan alojen monimuotoisuuden ja monimutkaisuuden kautta on tullut oma tieteenalansa, jota harvat asiantuntijat työskentelevät avaruussektorin suurten toimijoiden tai akateemisten piireiden kanssa. Tämä kenttä käsittää mekaniikkaa, fysiikkaa, automaatiota ja matematiikkaa (lähinnä algebra).

Päämäärä

Asennehallinta suorittaa kaksi olennaista toimintoa:

se edistää avaruusaluksen selviytymistä .

Avaruuskulkuneuvon on todellakin oltava pysyvästi kykenevät suuntaamaan sen aurinkopaneelien kohti Sun jotta ladata sen akkuihin tarvittaessa. Jos akkujen taso putoaa tietyn kynnyksen alapuolelle, ne muuttuvat käyttökelvottomiksi ja energian puuttuessa satelliitti on vain inertti massa, joka ei kykene suorittamaan tehtäväänsä;

keinotekoisen satelliitin tapauksessa se vaikuttaa satelliitin suorituskykyyn .

Koska satelliitin ja maan välinen etäisyys on yleensä suuri, sen on pystyttävä osoittamaan hyötykuorma (antenni, teleskooppi jne.) Erittäin tarkasti tiettyjä maantieteellisiä alueita kohti. Esimerkiksi noin 36 000 km: n alueella liikkuvan tietoliikennesatelliitin kohdistusvirhe 0,1 ° vastaa 63 km: n maavirhettä .

Asennevalvontajärjestelmä ( ACS ) varmistaa tavoitteen:

ja aurinkopaneelit ;
välineet: tämä sisältää antennit, hyötykuorman, itse asennonhallintajärjestelmän instrumentit; erityisesti se varmistaa instrumenttien selviytymisen huolehtimalla siitä, että mikään instrumentti ei osoita suuntaa, joka voisi tuhota sen korkean herkkyytensä vuoksi (yleensä kuu, maa ja erityisesti aurinko satelliiteille maapallon kiertoradalla);
suuttimet: kiertoradan ohjausliikkeiden aikana on ehdottoman välttämätöntä ohjata propulsiojärjestelmä oikein;
ja lämpö ohjaus -alijärjestelmä : orientaatio pintojen satelliitin suhteessa suuntaan Sun (ja vähemmässä määrin, että Maan ja kuun ) joskus vaikuttaa huomattavasti lämmön kontrollointiin satelliitin.

Suunnan hallinnan lisäksi SCA vaaditaan irrotettavien elementtien (aurinkopaneelit, kojelauta jne.) Suuntaamiseksi.

Keinotekoisten satelliittien asennon hallinta

Asennevalvonnassa on kaksi luokkaa: aktiivinen hallinta ja passiivinen hallinta. Passiivisen ohjauksen etuna on vankka, edullinen, yksinkertainen eikä virrankulutus. Tällä on kuitenkin rajoitettu osoittamistarkkuus eikä se salli kaikkien asentojen saavuttamista. Aktiivista osoittamista käytetään siksi useimmissa suurissa satelliiteissa.

Passiivisen ohjauksen osalta on olemassa kahden tyyppisiä passiivisia säätöjä: painovoimagradientin stabilointi ja magneettinen stabilointi. Painovoimagradientti käyttää satelliitin ja painovoimakentän epäsymmetriaa, kun taas magneettinen vakautus käyttää magneettia satelliitin kohdistamiseksi maan magneettikentän kanssa.

Aktiivisessa ohjauksessa on kaksi pääohjausmenetelmää:

satelliitti vakiintunut pyörimällä: satelliitti laukaistaan pyörimällä yhden akselinsa ympäri (tämä mahdollistaa satelliitin akselin vakauttamisen käyttämällä gyroskooppisen jäykkyyden ilmiötä); Tämäntyyppisen alustan avulla voidaan nopeasti etsiä kaista maasta (esimerkiksi sääsatelliitille ), tutkia ympäröivää tilaa useisiin suuntiin (esimerkiksi ionosfäärin plasmaa analysoivalle tieteelliselle satelliitille ) tai lakaista koko taivaallinen holvi (kuten Planck- tai Gaia- satelliitit );
satelliitti vakiintunut kolmelle akselille: näiden satelliittien osalta SCA mahdollistaa asenteen saavuttamisen ja vakauttamisen siellä; useimmat havainnointisatelliitit käyttävät tällaista alustaa.

On myös kaksoisnopeusajoneuvoja, jotka sekoittavat kahta viimeistä käsitettä, jotka koostuvat asennosta vakiintuneesta rungosta ja toisesta kierretystä (kuten Galileo- avaruuskoetin ).

Toiminnan ja reaktion periaate

Jotta satelliitti kääntyä ympäri ympäri, toiminta-reaktion periaate on käytetty, on kaksi mahdollista muodoissa.

Sisäinen satelliittitoiminta / -reaktio:
- varustus: reaktiopyörä ,
- Periaate: Kiinteästi satelliitti-akseliin kytketty sähkömoottori käyttää vääntömomenttia pyörän pyörimiseksi tämän akselin ympäri.
- toiminta: satelliitin moottoriin kohdistama vääntömomentti, joka saa pyörän pyörimään,
- reaktio: pyörän satelliittiin kohdistama vastakkainen vääntömomentti, joka kiertää satelliittia samalla akselilla, mutta vastakkaiseen suuntaan,
- seuraus: satelliitin kokonaiskulmamomentin säilyminen.

Toinen järjestelmä, nimeltään gyroskooppinen toimilaite , kuuluu myös sisäisen satelliitti-toimintareaktioluokituksen piiriin. Sen monimutkaisempi periaate perustuu gyroskooppiseen vaikutukseen . Erityisesti sillä on etu olla dynaamisempi ja siten antaa satelliitille enemmän ketteryyttä.

Toiminta / reaktio satelliitin ulkopuolelle:
- varusteet: suuttimet,
- periaate: sama kuin suihkutasolla: hiukkasia työnnetään suuttimista tiettyyn suuntaan,
- toiminta: satelliitin kohdistama voima poistettuihin hiukkasiin,
- reaktio: hiukkasten satelliittiin kohdistama vastakkainen voima akselia pitkin, joka ei kulje satelliitin painopisteen läpi: vipuvaikutus, joka johtaa satelliitin pyörimiseen itsessään,
- seuraus: satelliitin kokonaiskulmamomentin vaihtelu ulkoisen vääntömomentin vaikutuksesta.

Mainittakoon myös magneettikytkimet , jotka käyttävät maan magneettikenttää ulkoisen vääntömomentin kohdistamiseen satelliittiin ja siten modifioivat satelliitin globaalia kulmamomenttia.

Asennuksen ja kiertoradan ohjausjärjestelmän arkkitehtuuri

Yleiskatsaus

Asennon ja kiertoradan ohjausjärjestelmä (SCAO) on jaettu kolmeen pääkokoonpanoon:

anturit: niiden tehtävänä on mitata avaruusaluksen asenne (ja joskus sijainti);
toimilaitteet: niiden tehtävänä on muuttaa avaruusaluksen asennetta ja asemaa;
SCAO-lento-ohjelmisto: jälkimmäinen on vastuussa asennon (ja mahdollisesti asennon) arvioimisesta antureiden mittausten perusteella, valitsettavan profiilin valitsemisen maan kauko-ohjaimella ja ohjauksen arvioimisen, toimilaitteiden ohjaamisen parhaiten vastaaviksi asenne ja hallinta.

Anturit

Avaruusajoneuvon sijainti (kiertoradan palautus) määräytyy yleensä maa-asemien tekemien mittausten perusteella . Suurinta osaa SCAO: n antureista käytetään siksi asennon mittaamiseen.

Optiset anturit

Yksi kohta taivaanpallossa (tähti, aurinko) ei riitä määrittelemään avaruusaluksen asennetta. Taivaanpallon piste on todellakin määritelty sen oikealla ylösnousemuksella ja sen deklinaatiolla, kun taas avaruusaluksen asennon yksilölliseen määrittelemiseen tarvitaan kolme itsenäistä kulmaa (precession, nutation, asianmukainen kierto).

Tähtien sieppari

Tämä on kamera (yleensä kuvakenno CCD , mutta tulevaisuudessa järjestelmä Advanced Photo System (en) ) (APS), joka ottaa kuvia taivaan alueelta. Analysoimalla kuvattu tähtikenttä ja käyttämällä sisätilojen tähtikatalogia voidaan määrittää avaruusaluksen sijainti. Sitä voidaan käyttää myös yksinkertaisemmin tähtien liikkeen seuraamiseen kentällä asennemuutoksen määrittämiseksi: tätä toimintatilaa käytetään yleensä pysäyttämään avaruusaluksen pyöriminen suhteessa inertiaaliseen viitekehykseen (itse asiassa yhteydessä tähdet); nämä anturit mahdollistavat parhaan tarkkuuden asentomittauksissa. Avaruusteleskooppeja varten laitetta käytetään usein tähtien seurantana. Kameran resoluutio on todellakin diffraktiosta johtuen (avaruudessa ei ole ilmakehän turbulenssia), joka on olennaisesti sidottu valoa (peili tai pääobjektiivi) keräävän optisen laitteen halkaisijaan, päälaitteen käyttöä asentoanturin avulla voidaan saavuttaa tarkkuus toisen kaaren alla , mikä on usein välttämätöntä havainnoille.

Maadoitusanturi

Infrapuna- anturi, jossa on säteenskannausmekanismi (tai asennettu pyörivään avaruusalukseen) ja joka on herkkä maapallon infrapunasäteilylle; se voi havaita maan horisontin muutaman kaariminuutin tarkkuudella .

Aurinkovankija

Sun , sen halkaisija puolen asteen päässä Maan , on yksinkertainen asenne viite; jotkut aurinkokeräimet määrittävät Auringon sijainnin tarkemmalla kuin kaariminuutti, toiset vain osoittavat sen läsnäolon näkökentässä.

Inertiaalianturit Gyrometer

On olemassa erilaisia gyrometritekniikoita : yhden tai kahden akselin mekaaninen gyrometri, laser-, valokuitu- (laser) gyrometri, resonanssinen gyrometri. Kaikki nämä instrumentit mahdollistavat asennevaihtelun määrittämisen milloin tahansa (pyörimisnopeusvektorin komponentit inertiaalisessa vertailukehyksessä gyrometrin akselia (akseleita) pitkin); mittaus on integroitava avaruusaluksen asennon saamiseksi. Joten epävarmuus asennosta gyrometrin ulostulossa heikkenee ajan myötä.

Kiihtyvyysanturi

Kiihtyvyysmittari on mahdollista määrittää kiihtyvyys tilaa ajoneuvon kontaktista johtuvan toimet (eli ilman painovoiman vaikutukset). Yhdistämällä kerran voimme löytää nopeuden, integroimalla kahdesti, sijainnin.

Muut anturit Induktiomagneettimittari

Induktio magnetometri (tai fluxmeter ) on väline, joka mittaa vaihtelu ajan myötä, vuon magneettikentän läpi, kiinteän pinnan suhteen avaruusalus. Sitä käytetään pääasiassa pyörivissä avaruusajoneuvoissa matalalla kiertoradalla .

Fluxgate-magneettimittari

Fluxgate magnetometri on väline, joka mittaa projektio magneettikentän läheisyydessä avaruusaluksen akselilla. Käyttämällä maapallon magneettikentän karttaa ja kolmea magnetometriä (teoriassa kaksi riittää, jos tiedämme tarkasti maapallon magneettikentän moduulin tarkasteltavassa pisteessä ja hetkellä), tietäen kiertoradan sijainnin, voimme saada ( puutteelliset) tiedot avaruusaluksen asennosta. Nämä instrumentit ovat herkkiä avaruusalusten laitteiden (erityisesti magneettisten vääntömomenttien toimilaitteiden ) aiheuttamille sähkömagneettisille häiriöille, ja siksi ne ovat usein kaukana häiritsevistä laitteista (esimerkiksi sijoittamalla ne avaruusajoneuvon runkoon kiinnitetyn navan päähän). SCAO-magneettimittareita voidaan käyttää myös maan magneettikentän määrittämiseen tarkasti magneettisten vääntömomenttitoimilaitteiden ( magneettikytkimien ) käytön laskemiseksi . Koska magneettikentän voimakkuus pienenee nopeasti korkeuden mukana, magnetometrien käyttö asennon määrittämiseksi on varattu matalan maan kiertoradalla oleville satelliiteille.

GPS-vastaanotin

Satelliitteja matalalla kiertoradalla voi käyttää tietoja satelliittipaikannusjärjestelmät ( GPS , GLONASS , EGNOS, jne.) Määrittää niiden sijainti.

Radiointerferometri

Useiden radioaaltoa kuuntelevien vastaanottimien (avaruusajoneuvoon sijoitettujen antennien) signaalien interferometrinen mittaus (esimerkiksi GPS-satelliitin lähettämä) mahdollistaa tiedon saamisen avaruusaluksen asennosta, jos tapaussuunta tunnetaan vertailukehyksessä.

Huomautuksia ja viitteitä

Viitteet

(in) Vincent Francois-Lavet , asenne määritys ja valvontajärjestelmät OUFTI nano-satelliitteja ,31. toukokuuta 2010( lue verkossa [PDF] ).

Bibliografia

Philippe Couillard, kantoraketit ja satelliitit , Toulouse, Cépaduès,2005, 246 Sivumäärä ( ISBN 2-85428-662-6 )
(en) Graham Swinerd, Kuinka avaruusalus lentää: avaruuslento ilman kaavoja , Springer Praxis,2008, 272 Sivumäärä ( ISBN 978-0-387-76571-6 )
(en) Michel van Pelt, Space Invaders: miten robotiikan avaruusalukset tutkivat aurinkokuntaa , Praxis,2007, 312 Sivumäärä ( ISBN 978-0-387-33232-1 )
(en) Michael D. Griffin ja James R. French, Avaruusajoneuvosuunnittelu , Reston (Va), AIAA Education -sarja,2004, 2 nd ed. , 665 Sivumäärä ( ISBN 1-56347-539-1 )