Астрионика — это наука и технология разработки и применения электронных систем , подсистем и компонентов, используемых в космических аппаратах . Электронные системы на борту космического аппарата являются встроенными системами и включают в себя системы определения и управления ориентацией, связи, управления и телеметрии, а также компьютерные системы. Датчики относятся к электронным компонентам на борту космического аппарата.
Для инженеров одним из важнейших соображений, которые необходимо учитывать в процессе проектирования, является среда, в которой должны работать и выдерживать системы и компоненты космического корабля. Проблемы проектирования систем и компонентов для космической среды включают в себя не только тот факт, что космос — это вакуум.
Одной из важнейших ролей, которую электроника и датчики играют в миссии и работе космического корабля, является определение и управление его положением или тем, как он ориентирован в пространстве. Ориентация космического корабля меняется в зависимости от миссии. Космический корабль может быть неподвижен и всегда направлен на Землю, что имеет место для метеорологического или коммуникационного спутника. Однако может также возникнуть необходимость зафиксировать космический корабль вокруг оси, а затем заставить его вращаться. Система определения и управления положением, ACS , обеспечивает правильное поведение космического корабля. Ниже приведены несколько способов, с помощью которых ACS может получить необходимые измерения для определения этого.
Магнитометры измеряют силу магнитного поля Земли в одном направлении. Для измерений по всем трем осям необходимое устройство будет состоять из трех ортогональных магнитометров. Учитывая положение космического корабля, измерения магнитного поля можно сравнить с известным магнитным полем, которое задается моделью Международного геомагнитного эталонного поля . Измерения, выполненные магнитометрами, подвержены влиянию шума, состоящего из ошибки выравнивания, ошибок масштабного коэффициента и электрической активности космического корабля. Для околоземных орбит ошибка в моделируемом направлении поля может варьироваться от 0,5 градуса вблизи экватора до 3 градусов вблизи магнитных полюсов, где большую роль играют нерегулярные авроральные токи. [1] : 258 Ограничением такого устройства является то, что на орбитах, удаленных от Земли, магнитное поле слишком слабое и фактически доминирует межпланетное поле, которое является сложным и непредсказуемым.
Солнечный датчик работает на свете, входящем в тонкую щель наверху прямоугольной камеры, которая проецирует изображение тонкой линии на дно камеры, которая выстлана сетью светочувствительных ячеек. Эти ячейки измеряют расстояние изображения от центральной линии и, используя высоту камеры, могут определить угол преломления. Ячейки работают на основе фотоэлектрического эффекта . Входящие фотоны возбуждают электроны и, следовательно, вызывают напряжение на ячейке, которое, в свою очередь, преобразуется в цифровой сигнал. Разместив два датчика перпендикулярно друг другу, можно измерить полное направление Солнца относительно осей датчика.
Эти устройства, также известные как DSAD, являются чисто цифровыми датчиками Солнца. Они определяют углы Солнца, определяя, какая из светочувствительных ячеек датчика освещена сильнее всего. Зная интенсивность света, падающего на соседние пиксели, можно рассчитать направление центроида Солнца с точностью до нескольких угловых секунд. [1] : 261
Датчики статистического горизонта Земли содержат ряд датчиков и воспринимают инфракрасное излучение от поверхности Земли с полем зрения, немного большим, чем у Земли. Точность определения геоцентра составляет от 0,1 градуса на околоземной орбите до 0,01 градуса на ГСО. Их использование, как правило, ограничивается космическими аппаратами с круговой орбитой. [1] : 262
Датчики сканирующего горизонта Земли используют вращающееся зеркало или призму и фокусируют узкий луч света на чувствительном элементе, обычно называемом болометром . Вращение заставляет устройство охватывать область конуса, а электроника внутри датчика определяет, когда инфракрасный сигнал с Земли впервые принимается, а затем теряется. Время между ними используется для определения ширины Земли. Из этого можно определить угол крена. Фактором, который влияет на точность таких датчиков, является тот факт, что Земля не идеально круглая. Другим является то, что датчик не обнаруживает сушу или океан, а инфракрасное излучение в атмосфере, которое может достигать определенной интенсивности из-за сезона и широты.
Этот датчик прост в том, что с помощью одного сигнала можно определить множество характеристик. Сигнал несет идентификацию спутника, положение, длительность распространенного сигнала и информацию о часах. [2] Используя созвездие из 36 спутников GPS, из которых требуется только четыре, можно определить навигацию, позиционирование, точное время, орбиту и ориентацию. Одним из преимуществ GPS является то, что все орбиты от низкой околоземной орбиты до геосинхронной орбиты могут использовать GPS для ACS.
Другая система, которая жизненно важна для космического корабля, — это система управления и телеметрии, фактически настолько, что она является первой системой, которая является избыточной. Связь с земли на космический корабль является обязанностью системы управления. Система телеметрии обрабатывает связь с космического корабля на землю. Сигналы с наземных станций отправляются, чтобы командовать космическим кораблем, что делать, в то время как телеметрия сообщает о состоянии этих команд, включая основные данные космического корабля и данные, относящиеся к конкретной миссии.
Целью системы команд является предоставление космическому кораблю набора инструкций для выполнения. Команды для космического корабля выполняются на основе приоритета. Некоторые команды требуют немедленного выполнения; другие могут указывать конкретные времена задержки, которые должны пройти до их выполнения, абсолютное время, в течение которого команда должна быть выполнена, или событие или комбинация событий, которые должны произойти до выполнения команды. [1] : 600 Космические корабли выполняют ряд функций на основе полученной ими команды. К ним относятся: подача или отключение питания от подсистемы космического корабля или эксперимента, изменение режимов работы подсистемы и управление различными функциями наведения космического корабля и ACS. Команды также управляют стрелами, антеннами, солнечными батареями и защитными кожухами. Система команд также может использоваться для загрузки целых программ в оперативную память программируемых бортовых подсистем на базе микропроцессора. [1] : 601
Радиочастотный сигнал, передаваемый с земли, принимается приемником команд, усиливается и демодулируется. Усиление необходимо, поскольку сигнал очень слаб после прохождения большого расстояния. Далее в системе команд находится декодер команд. Это устройство проверяет сигнал поднесущей и обнаруживает командное сообщение, которое он несет. Выходные данные для декодера обычно представляют собой данные без возврата к нулю . Декодер команд также предоставляет информацию о часах логике команд, и это сообщает логике команд, когда бит действителен на последовательной линии данных. Поток бит команд, который отправляется в процессор команд, имеет уникальную особенность для космических аппаратов. Среди различных типов отправляемых битов первыми являются биты адреса космического аппарата. Они несут определенный идентификационный код для конкретного космического аппарата и предотвращают выполнение предполагаемой команды другим космическим аппаратом. Это необходимо, поскольку существует много спутников, использующих ту же частоту и тип модуляции. [1] : 606
Микропроцессор получает входные данные от декодера команд, обрабатывает эти входные данные в соответствии с программой, которая хранится в ПЗУ или ОЗУ, а затем выводит результаты в схему интерфейса. Поскольку существует такое большое разнообразие типов команд и сообщений, большинство систем команд реализовано с использованием программируемых микропроцессоров. Тип необходимой схемы интерфейса основан на команде, отправленной процессором. Эти команды включают команды реле, импульса, уровня и данных. Команды реле активируют катушки электромагнитных реле в центральном блоке коммутации питания. Импульсные команды представляют собой короткие импульсы напряжения или тока, которые отправляются логикой команд в соответствующую подсистему. Команда уровня в точности похожа на команду логического импульса, за исключением того, что вместо логического импульса передается логический уровень. Команды данных передают слова данных в подсистему назначения. [1] : 612–615
Команды космическому кораблю были бы бесполезны, если бы наземный контроль не знал, что делает космический корабль. Телеметрия включает в себя такую информацию, как:
Система телеметрии отвечает за сбор данных с датчиков, кондиционеров, селекторов и преобразователей, за обработку, включая сжатие, форматирование и хранение, и, наконец, за передачу, которая включает кодирование, модуляцию, передачу и антенну.
Существует несколько уникальных особенностей конструкции телеметрической системы для космических аппаратов. Одной из них является подход к тому факту, что для любого данного спутника на низкой околоземной орбите , поскольку он движется очень быстро, он может быть на связи с определенной станцией только в течение десяти-двадцати минут. Это потребовало бы, чтобы сотни наземных станций оставались на постоянной связи, что совсем непрактично. Одним из решений этой проблемы является бортовое хранилище данных . Хранилище данных может медленно накапливать данные по всей орбите и быстро сбрасывать их, когда они находятся над наземной станцией. В дальних космических миссиях регистратор часто используется наоборот, для сбора высокоскоростных данных и их медленного воспроизведения по каналам с ограниченной скоростью передачи данных. [1] : 567 Другое решение — спутники ретрансляции данных. У НАСА есть спутники на ГСО, называемые TDRS, спутники слежения и ретрансляции данных , которые передают команды и телеметрию со спутников на низкой околоземной орбите. До TDRS астронавты могли общаться с Землей только на протяжении около 15% орбиты, используя 14 наземных станций НАСА по всему миру. Благодаря TDRS покрытие низкоорбитальных спутников становится глобальным с одной наземной станции в Уайт-Сэндс, Нью-Мексико . [1] : 569
Еще одной уникальной особенностью систем телеметрии является автономность. Космическим аппаратам требуется возможность контролировать свои внутренние функции и действовать на основе информации без взаимодействия с наземным управлением. Необходимость в автономности возникает из-за таких проблем, как недостаточное покрытие земли, геометрия связи, слишком близкое расположение к линии Земля-Солнце (где солнечный шум мешает работе радиочастот) или просто в целях безопасности. Автономность важна, так как система телеметрии уже имеет возможность контролировать функции космического аппарата, а системы управления имеют возможность давать необходимые команды для перенастройки в зависимости от потребностей действия, которое необходимо предпринять. Этот процесс состоит из трех шагов:
1. Телеметрическая система должна уметь распознавать, когда одна из контролируемых ею функций выходит за пределы нормальных диапазонов.
2. Система команд должна знать, как интерпретировать ненормальные функции, чтобы иметь возможность генерировать правильный ответ на команду.
3. Системы управления и телеметрии должны иметь возможность взаимодействовать друг с другом. [1] : 623
Датчики можно разделить на две категории: датчики состояния и датчики полезной нагрузки. Датчики состояния контролируют функциональность космического корабля или полезной нагрузки и могут включать датчики температуры, тензодатчики, гироскопы и акселерометры. Датчики полезной нагрузки могут включать системы радиолокационного формирования изображений и ИК-камеры. Хотя датчики полезной нагрузки представляют собой часть причины существования миссии, именно датчики состояния измеряют и контролируют системы для обеспечения оптимальной работы.